WWW.PDF.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Разные материалы
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |

«ХАБАРЛАРЫ ИЗВЕСТИЯ NEWS НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН OF THE REPUBLIC OF ...»

-- [ Страница 1 ] --

ISSN 2518-1629 (Online),

ISSN 2224-5308 (Print)

АЗАСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ

ЛТТЫ ЫЛЫМ АКАДЕМИЯСЫНЫ

сімдіктерді биологиясы жне биотехнологиясы институтыны

ХАБАРЛАРЫ

ИЗВЕСТИЯ NEWS

НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN

Института биологии и биотехнологии растений of the Institute of Plant Biology and Biotechnology

БИОЛОГИЯ ЖНЕ МЕДИЦИНА

СЕРИЯСЫ

СЕРИЯ

БИОЛОГИЧЕСКАЯ И МЕДИЦИНСКАЯ

SERIES

OF BIOLOGICAL AND MEDICAL

6 (318) АРАША – ЖЕЛТОСАН 2016 ж.

НОЯБРЬ – ДЕКАБРЬ 2016 г.

NOVEMBER – DECEMBER 2016 1963 ЖЫЛДЫ АТАР АЙЫНАН ШЫА БАСТААН ИЗДАЕТСЯ С ЯНВАРЯ 1963 ГОДА PUBLISHED SINCE JANUARY 1963

ЖЫЛЫНА 6 РЕТ ШЫАДЫ

ВЫХОДИТ 6 РАЗ В ГОД

PUBLISHED 6 TIMES A YEAR

АЛМАТЫ, Р А

АЛМАТЫ, НАН РК

ALMATY, NAS RK   Известия Национальной академии наук Республики Казахстан Бас редактор Р А академигі, м.. д., проф.



Ж. А. Арзылов Абжанов Архат проф. (Бостон, АШ), Абелев С.К. проф. (Мскеу, Ресей), Айтожина Н.А. проф., академик (азастан) Акшулаков С.К. проф., корр.-мшесі (азастан) Алшынбаев М.К. проф., корр.-мшесі (азастан) Березин В.Э., проф., корр.-мшесі (азастан) Бисенбаев А.К. проф., корр.-мшесі (азастан) Бишимбаева Н.К. проф., корр.-мшесі (азастан) Ботабекова Т.К. проф., корр.-мшесі (азастан) Ellenbogen Adrian prof. (Tel-Aviv, Israel), Жамбакин К.Ж. проф., корр.-мшесі (азастан), бас ред. орынбасары Ishchenko Alexander, prof. (Villejuif, France) айдарова Д.Р. проф., корр.-мшесі (азастан) Кзденбаева Р.С. проф., академик (азастан) Лось Д.А. prof. (Мскеу, Ресей) Lunenfeld Bruno prof. (Израиль) Мие

–  –  –

«Р А Хабарлары. Биология жне медициналы сериясы».

ISSN 2518-1629 (Online), ISSN 2224-5308 (Print) Меншіктенуші: «азастан Республикасыны лтты ылым академиясы» РБ (Алматы.) азастан республикасыны Мдениет пен апарат министрлігіні Апарат жне мраат комитетінде 01.06.2006 ж. берілген №5546-Ж мерзімдік басылым тіркеуіне ойылу туралы кулік Мерзімділігі: жылына 6 рет.

Тиражы: 300 дана.

Редакцияны мекенжайы: 050010, Алматы., Шевченко кш., 28, 219 бл., 220, тел.: 272-13-19, 272-13-18, www:nauka-nanrk.kz / biological-medical.kz

–  –  –

«Известия НАН РК. Серия биологическая и медицинская».

ISSN 2518-1629 (Online), ISSN 2224-5308 (Print) Собственник: РОО «Национальная академия наук Республики Казахстан» (г. Алматы) Свидетельство о постановке на учет периодического печатного издания в Комитете информации и архивов Министерства культуры и информации Республики Казахстан №5546-Ж, выданное 01.06.2006 г.

Периодичность: 6 раз в год Тираж: 300 экземпляров Адрес редакции: 050010, г. Алматы, ул. Шевченко, 28, ком. 219, 220, тел. 272-13-19, 272-13-18, www:nauka-nanrk.kz / biological-medical.kz

–  –  –

News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series of biology and medicine.





ISSN 2518-1629 (Online), ISSN 2224-5308 (Print) Owner: RPA "National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan" (Almaty) The certificate of registration of a periodic printed publication in the Committee of information and archives of the Ministry of culture and information of the Republic of Kazakhstan N 5546-Ж, issued 01.06.2006 Periodicity: 6 times a year Circulation: 300 copies Editorial address: 28, Shevchenko str., of. 219, 220, Almaty, 050010, tel. 272-13-19, 272-13-18, http://nauka-nanrk.kz / biological-medical.kz

–  –  –

NEWS

OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN

SERIES OF BIOLOGICAL AND MEDICAL

ISSN 2224-5308 Volume 6, Number 318 (2016), 5 – 16 UDC 633.912

–  –  –

KAZAKHSTAN DANDELION TARAXACUM KOK-SAGHYZ –

AN ALTERNATIVE SOURCE OF NATURAL RUBBER

(TARAXACUM KOK-SAGHYZ L. E. RODIN) Abstract. This article contains general information about the natural rubber production in the world and the search for new alternative sources, and about recent studies of the properties of dandelion Taraxacum Kok-Saghyz.

The authors present an overview of various methods and technologies for the creation of high-yielding varieties and obtaining natural rubber and sugar from dandelion Taraxacum Kok-Saghyz in the framework of research projects in Europe. This article also contains the biological features and botanical description of dandelion Taraxacum KokSaghyz. The expected increase in prices of natural rubber and lack of raw materials in the coming years have convinced of the need for urgent revival of the production of natural rubber from Kok-Saghyz in Kazakhstan, which has all the necessary prerequisites. For sowing in Kazakhstan, KeyGene AgroBusiness Park has provided special varieties of Taraxacum Kok-Saghyz with properties that allow getting from 0.7 ton to 1 ton of latex from 1 ha of crops.

Keywords: natural rubber, dandelion Taraxacum Kok-Saghyz, research, production of rubber.

Introduction. Natural rubber (NR) is a raw material that is widely used in the manufacturing industry, medicine, transportation, aviation, defense, and at home. Nowadays, the main source of natural rubber in the world is the rubber tree Hevea (Hevea brasiliensis), which grows in industrial plantations of South East Asia. The quality of NR is significantly high in comparison with the synthetic substitute, and it is indispensable in tire production. Technology of cultivation of NR sources is friendly to the environment and safe for humans. Obtaining of NR from Hevea relies on heavy manual labor, which cannot be mechanized due to the nature of the tree, while processing and extracting of NR Kok Saghyz can be readily automated.

One of the objective of the Concept of Innovative Development of the Republic of Kazakhstan by 2020, approved by the Decree of the President of the Republic of Kazakhstan dated June 4, 2013 № 579 is "The use of the raw materials potential of the country for expansion of cooperation with foreign investors and companies on attracting advanced technologies and creation of high-tech industries". The development of national innovation is expected to make the most decisive contribution to the development of Kazakhstan.

The solution of many problems of Kazakhstan's economy could be the production of NR in Kazakhstan from its own endemic, listed in the Red Book of Kazakhstan, dandelion Taraxacum Kok Saghyz. Modern studies show that within 5-6 years from the first crop of high-grade seeds of Taraxacum Kok Saghyz on an area of 50 hectares followed by gradual increase to 50 thousand hectares, Kazakhstan could meet the needs of the internal market in natural rubber and within the following 2-3 years could enter the world markets with their domestic products. This process is not easy, requiring internal and external investments, not only in terms of funding but also in terms of knowledge and experience.

Nevertheless, this process is quite reliable and promising.

  Известия Национальной академии наук Республики Казахстан Evaluation of the world production of natural rubber. According to the forecasts of the International group for the study of the rubber market, IRSG (International Rubber Study Group) [1], in the next 10 years, the growth in demand for natural rubber will be 3.7% per year, reaching 15.4 million tons by 2020. China will remain being the main consumer, with projected cumulative annual growth rate for natural rubber consumption of 6.1%.

Analysis of the price for natural rubber on the Tokyo Stock Exchange for July 2016 (Figure 1) shows a steady growth. The sale volume of NR on the Tokyo Stock Exchange since 2012 remains consistently low and continues to decline due to the decrease in the number of delivered natural rubber in Southeast Asia (Figure 2). This did not change in the first half of 2016. The short increase in sales volumes of natural rubber in the world markets in March and April to July 2016 has decreased significantly, which made inevitable impact on the growth of prices for one ton of natural rubber, mostly supplied from South East Asia (Figure 3).

According to the Association of Natural Rubber producing countries (Southeast Asia) [1], accounting for 92% of the total world production of natural rubber from Hevea Brasiliensis, the deficit of global rubber supply may persist until 2018. In addition, with the emergence of new dangerous diseases and pests, adverse climate changes, limited land resources, impossibility to mechanize the process of collecting and extraction of rubber, high human factor, long period of trees’ maturing (6-8 years), etc., it is unlikely that the region and the main source of obtaining natural rubber from Hevea will be able to provide the world needs in natural rubber. In addition, the three largest producers of natural rubber – Thailand, Indonesia and Malaysia, whose combined share accounts for up to 70% of the world production of this material, plan to cut down old trees on the area of 100 000 hectares. According to the International Council of the tripartite rubber (ITRC), this will reduce the market supply to 450 000 tons per year.

–  –  –

In the late 1990s and early 2000s, the world felt the first signs of deficiency of natural rubber.

American and European scientists have calculated that by 2015-2020 the need for the world in the natural rubber industry will grow, and its production may decrease due to a number of factors related to environmental, economic and political problems in the world. The European Union Framework Programs, as the main EU instrument for funding research and innovation, supported several projects that explore alternative sources of natural rubber.

The Sixth Framework Program has financed several small projects in the social, economic and foresight studies that draw conclusions about the upcoming changes in the world economy associated with a reduction in the world supply of natural rubber and recommended consideration of new alternatives and the possibility of resuming the development of the old, already known natural sources for rubber, such as a Mexican bush guayule and the Kazakh endemic called Russian dandelion Taraxacum Kok-Saghyz.

Back in the late 1940s - early 1950s pilot tires from guayule and Kok-Saghyz were manufactured and tested showing that after driving for 8000 miles the tires from guayule practically come into disrepair, whereas those made from the Kok-Saghyz do not change their appearance and qualities even after 22 thousand miles of intensive testing.

The European Union Seventh Framework Program for Research, Technology and Innovation has announced a special call to research alternative sources of natural rubber. Project proposals should have set a goal to determine the best alternatives to the Hevea Brasiliensis, studies of their properties availability for industrial development in terms of ecology, economy and geographical coverage.

The EU-PEARLS, EU-based Production and Exploitation of Alternative Rubber and Latex Sources, project [3], despite its name, attracted scientists from Kazakhstan, where the Kok-Saghyz is freely growing. The project consortium brought together 14 universities, research centers and manufacturers from 8 countries: the Netherlands (Wageningen University, the International Centre for Plant Research, Agro Business Park Keygene, Apollo Vredestein, Company for the production of tires, Stramproy Contracting, commercial and industrial company), Germany (University of Mnster), Switzerland (University of Lausanne), Spain (Basque Institute for Agricultural Research and Development), the United States of America (Yulex Corporation), Italy (Trelleborg Engineering Company), Czech Republic (Institute of Botany of the Czech Academy of Sciences), Belgium (Bayer Crop Science, Bayer BioScience), France (CIRAD, International Centre for cooperation in agronomic research and development). InExCB-KZ, Independent Expert Advisory Board to Promote Scientific Research in Kazakhstan, has been a consultant for research of Kok-Saghyz in Kazakhstan and further implementation of the project results.

There is important to note that the consortium of EU-PEARLS project is the world’s only group of scientists, which has received official permission for the collection and study of the Kazakhstan Red Book plant Taraxacum Kok Saghyz (Resolution of the Government of the Republic of Kazakhstan dated July 9, 2009 № 1046 "On approval of the volume of dandelion collection Kok Saghyz (Taraxacum KokSaghyz)). Taraxacum Kok Saghyz in the world literature is still called as "the Russian dandelion". The information about this plant and its properties was first published by Dr L. Rodin, who worked in the Botanical Institute of the USSR Academy of Sciences [4, 5]. In those days, everything that came out of the countries of the Soviet Union was called “Russian” in the world. So, the Kazakhstani endemic became a Russian plant, despite the fact that the similar dandelion has been found in Sweden and Norway, where it was also subjected to a long-term study.

The consortium examined the development and sustainable use of Parthenium argentatum (guayule) and Taraxacum Kok Saghyz as an alternative source of rubber in the European Union. To ensure the sustainable development and exploitation of both crops, the development and creation of idioplasm, biochemistry, genetics, breeding, cultivation, processing and the final product carried out and investigated throughout the research of a collection of wild plants. The whole of the rubber biosynthetic chain was analyzed and potential weaknesses were identified. The genes involved in the biosynthesis of rubber were charted; a strategy of reproduction was defined. Recommendations on the establishment of industries with commercially sustainable rubber harvesting were developed. Experimental production facilities for the testing and evaluation of efficient growth and rubber production under different climatic and soil conditions in Europe were created. Technical performance and economic potential of rubber obtained at these production sites were evaluated by obtaining some prototypes, such as surgical gloves and tires.

    ISSN 2224 4-5308 Серия биол логическая и медицинская № 6. 2016 я.

–  –  –

The agreement covers the selection and delivery of new and improved varieties of Kazakh dandelions designed and optimized for the production of natural rubber in Kazakhstan. In the next stages of the project, Kazakhstan dandelions will be interbred with typical Dutch varieties in order to obtain a highyield hybrid that will combine the quality of Kazakhstan dandelions’ rubber with adaptability and productivity of Dutch varieties. The agreement gives more opportunity to the industrial life of Kazakhstan, which has all the possibilities for the production of both natural and synthetic rubber. Strong government support, along with a partnership with one of the top breeding companies in the world is definitely will fasten this process. Kazakhstan dandelion can be used for molecular breeding, getting the seeds of new varieties of dandelion suitable for commercially viable production of natural rubber, and to meet the global demand for high-quality biomaterials [8]. Land resources and agricultural capacity of Kazakhstan plays a leading role in this process.

The Government of Kazakhstan and the Ministry for Investment and Development supported the initiative of the project developers on transferring the technology for planting, growing and processing of Taraxacum Kok-Saghyz in the framework of European EU-PEARLS project in Kazakhstan. Thanks to an innovation grant of the National Agency for Technological Development for the implementation of the project "Development of Kazakhstan's natural rubber seed - dandelion Taraxacum Kok-Saghyz and guayule Parthenium argentatum and business plan for the project «KZ-PEARLS» - Production and operation of alternative sources of natural rubber in Kazakhstan", the project executors, InExCB-KZ, and its daughter compeany Kok-Saghyz-TM JSC received a high-quality seed stock. KeyGene presented special grade Taraxacum Kok-Saghyz with properties that allow getting 1 ha of crops from 700 kg to 1 t of latex for sowing in Kazakhstan. Over a two-year period of the project activities from 2013 to 2015 over 2 million seeds of Taraxacum Kok-Saghyz were collected, which allows sowing an area of over 4 hectares.

The project was based on the main results of the European project EU-PEARLS and implemented in Kazakhstan by two main project executors, KeyGene and Kok-Saghyz-TM JSC. During the project, KZPEARLS were obtained technology for seed sowing, land cuttings, harvesting and storage of Kok-Saghyz, and valuable genetic resources, qualified personnel were prepared, the necessary work prior to implementation for rubber extraction technology in wide production and produce high-quality natural rubber was carried out. In addition, some experience in growing of Kok-Saghyz under greenhouse conditions for seed multiplication was gained. The Dutch company KeyGene has launched new tests for even more fruitful varieties of Taraxacum Kok-Saghyz.

The European Commission is currently funding a project DRIVE4EU, Dandelion Rubber and Inulin Valorization & Exploitation for EU. This project is implemented within four years from 2014 to 2018, brought together seven industrial companies and six research institutions from 6 countries of the EU and Kazakhstan: The Netherlands (Foundation for Agricultural Research at Wageningen University, KeyGene AgroBusiness Park, Company for the production of tires Apollo Tyres Global, Pilot farm "Rusthoeve", QEW Engineered rubber, an industrial company for the production of high-quality rubber), France (Agriculture Tereos Syral, producer of sugar, which has one of the plants in Belgium, Aalst city), Germany (GEA Westfalia Separator Group GmbH, one of the world's leading manufacturers of machinery and development of technological processes in the field of mechanical separation technology centrifugation, NETZSCH Feinmahltechnik GmbH, a manufacturer of industrial equipment for wet grinding, mixing and dispersion), Czech Republic (Institute of botany of the Academy of Sciences, MITAS as, a company producing tires for agricultural machinery), Sweden (Trelleborg Sealing solution Kalmar, Trelleborg a global leader in engineering polymer solutions), Austria (Joanneum research Forschungsgesellschaft MBH, innovation and engineering company), Belgium (ILVO, Institute for agriculture and fisheries research), and Kazakhstan (InExCB-KZ, a private research institution).

The project has a unique competitive advantage, entirely focusing on biotechnology, plant breeding, agronomy, gathering and processing of biological materials, as well as the production of rubber and inulin from Taraxacum Kok-Saghyz. The main task of DRIVE4EU is to build a bridge between science, industry and market. The aim of the project is to create a European chain for the production and processing of natural rubber and inulin from Taraxacum Kok-Saghyz, in order to reduce the EU's dependence on imports of natural rubber and at the same time respond to the threat of global rubber shortage. Inulin can be used as raw material for environmentally friendly chemicals such as polymers based on the furan. The   Известия Национальной академии наук Республики Казахстан combination of latex and inulin in one plant demonstrates the technical and economic feasibility of using Taraxacum Kok-Saghyz as a production platform for high-quality rubber and inulin-containing preparations.

This project provides Kazakhstani participants with a valuable knowledge to obtain more benefits from cultivation Taraxacum Kok-Saghyz in Kazakhstan, including non-waste production by extraction of natural rubber. Assuming that the necessary funds, one field with size of 48 hectares could produce a high-quality honey, sugar, rubber, biofuels and cattle feed at the maximum energy consumption.

Thanks to the unique properties of natural rubber, Kok-Saghyz is indispensable in the production of large-size tires, and able to withstand loads up to 75 tons. Most manufacturers make tires from a mixture of natural and synthetic rubber, therefore, it is still the main field of application of natural rubber left tire industry (70%).

In addition, natural rubber is used in the manufacturing of conveyor belts with high capacity, corrosion-resistant coatings of boilers and pipes, glue, thin-walled high-strength fine products, including products for medical and sanitary purpose. Roots of Taraxacum Kok-Saghyz contain 35-50% of natural hydrocarbon. Inulin is well absorbed by human body, it is used as a diabetes starch and sweetener, for diagnosing renal function (test inulin), as well as to obtain fructose. Waste is used to feed farm animals and for the production of biofuels. Production of natural rubber from Kazakhstan endemic Taraxacum Kok-Saghyz can be done completely without waste, taking into account its features.

So far, technological lines for rubber extraction as well as technological lines for the production of similar products, for example, sugar beet, have been studied. In addition, a pilot mini-line, using the latest high-tech for rubber extraction profitable in terms of economy and safety from the point of view of ecology in cooperation with European partners has been developed.

A Belgian partner, a subsidiary of the famous French sugar producer, TEREOS, located in the city of Aalst, received a trial consignment of sugar from dandelion Kok-Saghyz in 2016. The technology of processing of Kok-Saghyz into sugar proved to be not most time-consuming. Almost all European partners have technological possibilities at this stage.

However, the transfer of these technologies in Kazakhstan and the acquisition of necessary equipment remain inaccessible for the Kazakh partner due to lack of funds. At the same time, only Kazakhstan due to its extensive land and experience in processing it can provide all partners with necessary raw materials. Kazakhstani scientists were the only researchers who grow crops in the open field, and not in a greenhouse. Kazakh partners have shown a direct correlation between the biomass Taraxacum KokSaghyz root and thickness, as well as the seeding rate and doses of mineral fertilizers, so being able to achieve almost 60% of germination.

Participation of the most advanced researchers of Taraxacum Kok-Saghyz in the consortium is extremely useful for Kazakhstan agronomists and farmers, who will contribute to the creation of an entire industry in Kazakhstan. Researching of heritage of the USSR, a modification of the previously used development in the production can help in innovative cooperation in the EU project.

The history of the use of Taraxacum Kok-Saghyz in the USSR. In the 30s of the last century, the Soviet Union studied 1048 species of plants, 990 of which were found to synthesize rubber. But most rubber plants were not suitable for obtaining natural rubber. The country was in need of natural rubber, especially for machine-building industry, which could not generate any tire without natural rubber. In 1931, a search expedition of a Scientific Research Institute led by Dr. Leonid Rodin discovered dandelion Kok-Saghyz (named by locals) in the foothills of the Tien Shan in the south of Kazakhstan. A year later, in 1932, Kok-Saghyz occupied 900 hectares, and in 1940 – 55.0 thousand ha. The area of planting KokSaghyz grew very quickly. In 1936 compared to 1935, the area of the farms increased by 13.5%, in 1937 by 146%, in 1938 - by 408%, in 1939 - by 592% and 1940-1531%. Thus, within five years it expanded by a factor of 15 [9].

Kok-Saghyz is Kazakhstan's endemic, introduced in the "Red Book" of Kazakhstan, №338 [10].

Natural vegetation is limited to a fairly small area, an area of 10 thousand km2, mainly in three mountain valleys in the eastern Tien Shan in the south-east of Almaty region: Kegen, Saryzhaz, Tekes (partly Karkarinsk, Cheldysuy and Aschilla valley), between 79 - 80°30' east longitude and 42°20' - 43°20' north latitude. Valley stretches from north-west to south-east and situated at an altitude of 1800-2100 meters above sea level [11, 12].

    ISSN 2224-5308 Серия биологическая и медицинская. № 6. 2016 The first scientific studies have shown that Kok-Saghyz is better than many other plants in terms of domestication. Moreover, it gives a high yield of the roots with the highest content of rubber in the first year. The increase in the number of collective and state farms, to achieve high yields of roots and seeds of rubber plants, requires the construction of a huge number of both large and small plants for processing of rubber plant roots, in order to obtain natural rubber.

Kok-Saghyz dandelion is an alternative source of valuable vegetable raw materials for the production of natural rubber. The roots of Kok-Saghyz contain 6-14% rubber (in the roots of wild plants it is up to 27%), which is not worse than the traditional raw material for the production of rubber, obtained from Hevea brasiliensis. But unlike Hevea, the manufacturing process of collecting and processing of KokSaghyz is fully amenable to mechanization.

The latex, which fills milky vessels of Kok-Saghyz root contains rubber. When you cut the root, the latex flows out in the form of a white, quickly solidifying liquid, which forms durable elastic rubber film.

Overwintered plants begin further root growth in spring, last year's living root tissue dies and collapses, but instead, as a result of the cambium, there will grow a new tissue. Rubber of old dead latex of KokSaghyz turns into yarn, and their dense mesh forms a thin cover of tubes. It contains all rubber that has been accumulated in the root on the 1st year of life. By the end of the period of mass fructification, it will be a thin film easy to destroy and it can remain in the soil. After harvesting the seeds for the biennial plantations, digging of roots is carried out in the shortest period. The roots of Kok-Saghyz contain 10on the green weight of rubber (2-2.5% green weight) by the end of the 1st year of life, in the 2nd year of life is from 11 to 14%.

The Soviet Union allocated an area of 500 thousand hectares of land in more than 15 areas to planting crops of Kok-Saghyz, Tau-Saghyz, Crimea-Saghyz, and other rubber. These measures allowed developing up to 50 thousand tons of rubber in 1942. More than 300 plants have been built for the processing of vegetable raw materials [13].

Properties and possibilities of industrial use of additional crops, growing in Kazakhstan, such as TauSaghyz, Crimea-Saghyz are still poorly studied. Comparative analysis of properties of the most studied rubber sources, such as Hevea, guayule, Kok-Saghyz, Tau-Saghyz, Crimea-Saghyz (Table), shows a special attraction is the Kok-Saghyz for industrial development, taking into account the high rubber content in the roots, unpretentious plant, low cost in growing and harvesting, as these processes for KokSaghyz is fully amenable to mechanization.

Comparative analysis of the properties of four rubber sources

–  –  –

Kok-Saghyz: in culture, accumulates 10-12% of rubber and about 2.5% of resin in roots by the end of vegetation by the 1st year, indicators increased almost twice by the end of the second year.

Tau-Saghyz: in culture, 3 years of age, accumulates 12-15% of rubber and about 2-3% of resin in the roots.

Crimea-Saghyz: in culture, 2 years of age, accumulates 5-6% of rubber and about 3% of resin.

Guayule survives well in dry subtropical zone in Central Asia, the South, in the culture of 3-4-yearold it collects 8-10% of rubber and 8-10% of resin on absolutely dry weight axial organs.

Conclusions. Testing and introduction of an alternative source for natural rubber that can be grown in most parts of the country, establishment of seed production, development of vegetable raw processing technology to produce a qualitative product, industrial production of natural rubber, creation of appropriate infrastructure and human resource base will help to quickly create a stable foundation in Kazakhstan for   Известия Национальной академии наук Республики Казахстан the production of domestic rubber and gradually bring it to the world markets. It should be noted that the production of natural rubber from the domestic plant endemic Kok-Saghyz will greatly reduce or even completely eliminate the import-dependence of the country.

Thanks to the long-term research of global scientists, it may be concluded that dandelion Taraxacum Kok-Saghyz is a rare natural phenomenon that combines the amazing features of the source of natural rubber, as well as sugar and inulin.

Kok-Saghyz has a great potential as an alternative rubber culture, but is in need of further increase in the roots biomass harvest as well as the level of the rubber content. At the University of Wageningen (the Netherlands), a pilot plant for the extraction of rubber was built. Researchers have noted [2] that the tires obtained from the Kok-Saghyz have the same quality as the rubber from Hevea tree. The results of the European projects show that Taraxacum Kok-Saghyz grows best on Kazakh soil, especially in the areas of their endemic habitat in the foothills of the Tien Shan. Creation of the rubber industry in Kazakhstan will require large investments in the initial phase and it will be highly profitable. Unpretentiousness of dandelions helps them to exist even in areas not suitable for agriculture. Other advantages include the lack of vulnerability to serious pests that simplifies cultivation, and, of course, the short growing season of dandelions, which lasts only one year after which the plant is ready for collection and processing.

In order to produce natural rubber in the country, the domestic demand for natural rubber must be estimated. Thus, according to the Kazakh Statistics Agency, Kazakhstan has imported more than 2 million tires in 2012. If one tire requires 50% of rubber and the average rubber tire for a passenger car weighs approximately 8 kilograms, the country needs 8000 tons of natural rubber per year only for providing the domestic demand for tires. Not taking into account the growing demand, the country requires over 8000 tons of natural rubber per year. According to the Agency, the average price per ton of imported natural rubber in 2012 for the needs of Kazakhstani producers of technical rubber products amounted to $ 8800.

Thus, the size of the domestic market for natural rubber in Kazakhstan is exceeds $ 70 million per year.

The current situation in production of natural rubber in the country and the world is affected by the

following facts and circumstances:

The limited world reserves of non-renewable sources of synthetic rubber, the negative impact of its production, use and recycling for the environment and human health;

Constantly increasing global demand for natural rubber and its irreplaceable role in a number of industries (automotive, aeronautics, medicine);

Increase in the cost of production of natural rubber;

The limited global production of natural rubber both in terms of the plants acting as sources of rubber, and the territory of their cultivation. Nowadays, it is Hevea and South-East Asia;

The need for new sources of natural rubber and areas of cultivation.

In this regard, Kazakhstan has a unique position and advantage, since it is home to the endemic rubber plants Kok-Saghyz and its homeland has enough land resources for industrial cultivation.

Nowadays, there is a struggle for the domestication of the Kok-Saghyz around the world, although it is an endemic of Kazakhstan and is included in its Red Book. Ohio University (USA) has received $3 million from the US government budget for the cultivation of Kok-Saghyz in America. Russia is trying to resume the production of the Kok-Saghyz rubber. Canada, China and Europe are interested in commercialization of rubber products from Kok-Saghyz in their countries.

Kazakhstan has clear advantages in obtaining and commercialization of products made of natural rubber. Kok-Saghyz is a natural endemic of Kazakhstan. It included into the Red Book as the Kazakh endemic. Therefore, it has to be called the Kazakh Dandelion.

Kazakhstan signed the Convention on Biological Diversity in 1994, which protects the right of Kazakhstan to the commercial production of its own endemic. Kazakhstan takes part in the EU projects and has the right of access to the technologies developed in the framework of the European projects under specific agreements. Finally, Kazakhstan has land, natural and financial resources for implementation of technologies for production of rubber and may become a leader in the production of natural rubber in the world. Revenues from natural rubber may well compensate the expenditure, suffered from the decline in oil prices. Vehicles of the future will be able to find a replacement for gasoline, but any car and aircraft will require natural rubber for decades.

    ISSN 2224-5308 Серия биологическая и медицинская. № 6. 2016

REFERENCES

[1] Evans S. Supply Trends, the Shape of Things to Come // China Rubber Conference. –March, 2011. –P. 22-30.

[2] Jan B. van Beilen, Yves Poirier. Guayule and Russian Dandelion as Alternative Sources of Natural Rubber // Journal Critical Reviews in Biotechnology. 2007. Vol. 27, Issue 4. P. 217-231.

[3] Jan B. van Beilen, Hans Mooibroek. EU-PEARLS: EU-based production and Exploitation of Alternative Rubber and Latex Sources // The perspective BioRubber for Europe in Global Perspective Programme and

Abstract

book EU-PEARLS Final Congress. 2012. P. 49.

[4] Rodin L.E. (1931) Ketmenskij hrebet. Jekspedicii AN SSSR. L., 1932.

[5] Rodin L.E. Novyj vid oduvanchika // Trudy Botanicheskogo in-ta AN SSSR. 1933. Ser. 1. Vyp. 1.

[6] Miche F.C. Jr., Pitts D., Varcho M., Grewa S.K., Rossington J., Kinnamon B., Kleinhenz M.D., Cornish K.E., Ohlemacher C.J., Ravlin F.W. Pilot plant for the extraction of rubber and inulin from Taraxacum kokSaghyz // BioRubber for Europe in Global Perspective Programme and abstract book EU-PEARLS Final Congress. 2012. P. 59.

[7] Stevenson R. L. Don't judge each day by the harvest you reap but by the seeds that you plant // ANNUAL REPORT.

2013. P. 36-65.

[8] Magzieva K., Magziyeva S., Karabayev M., Zhambakin K. The assessment and introduction of productive guayule and Taraxacum kokSaghyz genotypes, and technology for large-scale production of natural rubber in Kazakhstan // BioRubber for Europe in Global Perspective Programme and abstract book EU-PEARLS Final Congress. 2012. P. 38.

[9] Filippov D.I. Kul'tura kok-sagyza // V kn.: Kauchuk i kauchukonosy. M.: Izd-vo AN SSSR, 1953. Vol. 2. P. 173-199.

[10] Krasnaja Kniga Kazahskoj SSR. Redkie i nahodjashhiesja pod ugrozoj ischeznovenija vidy zhivotnyh i rastenij. Chast'

2. Rastenija. Alma-Ata, 1981. P. 211.

[11] Bugaj S.M. Kok-sagyz. M.: Gosudarstvennoe izdatel'stvo sel'skohozjajstvennoj literatury, 1951. P. 3.

[12] Lipshic S.Ju. Koksagyz // Kauchuk i kauchukonosy. M., 1953. P. 149-172.

[13] Karaev A. Je., Rahmankulov D.L., Udalova E.A., Kuras M.V. Istoricheskie jetapy razvitija tehnologii sovmestnogo poluchenija himicheskogo syr'ja i natural'nogo kauchuka // Bashkirskij himicheskij zhurnal. 2008. Vol. 15, N 1. P. 53-56.

[14] Kauchukonosnye rastenija. Sel'skohozjajstvennaja jenciklopedija. Vol. 2 (Zh - K) / Red. kollegija: P. P. Lobanov (glav.

red.) [i dr.]. Izdanie tret'e, pererabotannoe – M., Gosudarstvennoe izdatel'stvo sel'skohozjajstvennoj literatury: 1951. P. 624.

–  –  –

Аннотация. сынылып отыран маала лемде табии каучукті ндіру жне оны жаа балама кздерін табу, Тараксакум Кксаыз бабаыны асиеттерін заманауи трыда зерттеулер туралы жалпы малматтарды амтиды. Авторлар лемдік табии каучук ндірісіне талдау жне болашаа болжау жасай отырып, Еуропаны зерртеу жобалары шеберінде Кксаызды жоары німді срыптарын шыару жне одан табии каучук пен ант алу тсілдері мен технологияларына шолу келтірген. Сонымен атар маалада Кксаызды биологиялы ерекшеліктері мен ботаникалы сипаттамасы келтірілген. лемдік табии каучук ндірісіне баа беру жне жуы арада табии каучук баасыны суі мен шикізат тапшылыына атысты болжаулар азастанда шыл трде Кксаыздан табии каучук ндіруді айта жаырту ажеттілігін айындайды, жне де бл шін ажетті жадайларды барлыы дерлік бар.

KeyGene АгроБизнесПаркі азастанда егу шін 1 гектар даылдан 1 тоннадан 0,7 тоннаа дейін латекс алуа ммкіндік беретін асиеттері бар Кк-Саызды арнайы сортын амтамасыз етті.

Тірек сздер: Табии каучук, баба Тараксакум Кксаыз (Taraxacum kok-Saghyz), зерттеу, каучука ндірісі.

–  –  –

Аннотация. Предлагаемая статья содержит общую информацию о производстве натурального каучука в мире и поиске новых альтернативных источников, о современных исследованиях свойств одуванчика Тараксакум Кок-сагыз. Авторы представляют обзор различных методов и технологий создания высокоурожайных сортов и получения натурального каучука и сахара из одуванчика Тараксакум Кок-сагыз в рамках исследовательских проектов в Европе. Статья также содержит биологические особенности и ботаническое описание одуванчика Тараксакум Кок-сагыз. Ожидаемый рост цен на натуральный каучук и дефицит сырья в ближайшие годы убеждают в необходимости возрождения производства натурального каучука из Коксагыза в Казахстане, для чего есть все необходимые предпосылки. Для посева в Казахстане АгроБизнесПарк KeyGene предоставил специальные сорта Тараксакум Кок-сагыз со свойствами, позволяющими получить с 1 га посевов от 0,7 тонны до 1 тонны латекса.

Ключевые слова: натуральный каучук, одуванчик Тараксакум Кок-сагыз (Taraxacum kok-Saghyz), исследования, производство каучука.

Сведения об авторах:

Магзиева К.Т. – PhD, Директор Независимого Экспертно-консультативного Совета по поддержке научных исследований в Казахстане, InExCB-KZ, Национальный координатор Рамочной Программы Европейского Союза по исследованиям и инновациям «Горизонт 2020» в Казахстане, руководитель казахстанской группы исследователей по проектам Седьмой Рамочной Программы Европейского Союза по исследованиям, технологиям и инновации EU-PEARLS и DRIVE4EU, а также проекта, финансированного АО НАТР KZ-PEARLS. Участник 22 научных и сетевых проектов Европейского Союза.

Беглов Р.Б. – агроном-исследователь InExCB-KZ, исполнитель проектов KZ-PEARLS и DRIVE4EU.

Юсупов А.Г. – агроном-исследователь InExCB-KZ, исполнитель проектов KZ-PEARLS и DRIVE4EU.

Жапаев Р.К. – PhD, агроном СИММИТ - Казахстан, партнер по проектам KZ-PEARLS и DRIVE4EU (ответственный за переписку c редакцией и работу с корректурой).

 

–  –  –

NEWS

OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN

SERIES OF BIOLOGICAL AND MEDICAL

ISSN 2224-5308 Volume 6, Number 318 (2016), 17 – 22 UDC 546.22-121+ 544.773.422+57.016+615.9

–  –  –

THE STUDY OF ACUTE TOXICITY OF NANOSULFUR

Abstract. Acute oral toxicity of nanosulfur size of about 75 nm was studied in female’s mice. LD50 values were between 300–2000 mg/kg for females in mice. Toxic signs were manifested in the form of depression locomotor activity. The thoracic and abdominal cavities were meticulously examined. At necropsy and histology we revealed flatulence colon, dystrophic changes in the liver and kidneys. Hepatocytes are filled with small and medium-sized lipid droplets. These results indicate that nanosulfur is more toxic than powdered sulfur.

Keywords: nanosulfur, nanomaterial, acute toxicity, nanotoxicology.

Introduction. Broad activity against bacteria, fungi, and insect, parasitizing on the skin, is shown for sulfur nanoparticles. The degree of this efficiency depends on the polymorphism, the size and shape of sulfur. In addition lower toxicity of elemental sulfur to mammalian cells makes sulfur nanoparticles very promising for production on their basis of antimicrobial preparations [1-4]. There are also data about antitumor activity of elemental sulfur [5]. However, if the toxicity of deposited microcrystalline sulfur is well studied, its nanoforms requires deep research [6]. It is known that the structure and arrangement of atoms or molecules in the crystal have an effect on the biological activity of pharmaceutical substances [7].

Besides the polymorphism of crystals, the particle size also influences the properties of the material. It is shown that the particle size of sulfur, selenium, zinc, copper, titanium affect their bioavailability, activity and toxicity, and not in all cases this dependence is linear [8-17]. In connection with this the acute toxicity of nanosulfur with particle size about 75 nm conducted on laboratory mice was studied.

Materials and methods of research. Investigated substance - nanosulfur with the size of the coherent scattering blocks of 75 nm [18]. As the carrier distilled water was used.

Acute toxicity was investigated on white outbred female mice weighing 20-24 g in accordance with the guidelines of the Organization for Economic Cooperation and Development (OECD) No. 423 [19].

Class of toxicity was assessed by the classification and marking of chemical substances and mixtures (GHS) [19]. Nanosulfur solution was administered intragastrically once by pathfinder in a volume of

0.5 ml. The animals were kept in a vivarium RSBE "Scientific and practical center of sanitary-epidemiological examination and monitoring." Mice were in cages with litter from wood chips, preliminary seasoned under the influence of UV rays. Litter was changed 2 times a week. The ambient temperature was 21 ± 2°C, humidity 50 ± 10%, artificial light regime 12:12. For animals it was selected mixed diet comprising mainly food containing natural ingredients (tubers, grains). Feeding animals was 2 times a day at the same time. Access to water was ad libitum. Marking of animals was performed with marker on wool section on the legs, back and head. Euthanasia was performed in compliance with the rules of humane treatment of laboratory animals in a CO2 chamber, containing 70% CO2 at a flow rate of 30 l/min (ethics commission № 38 of 10.26.2015). At necropsy the lungs, heart, spleen, liver, kidneys, gastrointestinal tract were studied. Organs were fixed in 10% neutral formalin. Histological specimens were prepared by the standard technique [20]. From the paraffin blocks it were sectioned with 5-7 microns thick at semi-automatic microtome ERM3000, sections were stained with hematoxylin-eosin. The preparations were examined by direct light microscope DM1000 (Leica, Germany).

  Известия Национальной академии наук Республики Казахстан The mathematical processing of the results was performed in Microsoft Excel-2010. After receiving the primary data regardless of the experiment it was calculated the arithmetic mean value and standard deviation. In order to identify significant differences between the experimental values it was used the Student's coefficient. Reliability values P0,05 was considered as not significant.

Results and discussion. After intragastric administration of nanosulfur in a dose of 2000 mg/kg, for the first three hours one mouse died, during the first day - the second one. After the administration up to 2 days the animals response to external stimuli has been greatly reduced. Mouse huddled in cells corners and almost did not move. Breathing was rapid. With abdomen opening of dead mice it was found bloating colon loops (Figure 1).

Figure 1 – Necropsy of mouse abdominal cavity, which received 2000 mg/kg of nanosulfur Esophagus is permeable and unchanged. Duodenum and small intestine are without any pathological changes. The contents of the stomach is in pale yellow color with a slight shade of gray, with a faint odor of sulfur dioxide, indicating the suspending of nanosulfur. One animal has survived, and was left till the end of the experiment. On the 15th day the animal was euthanized and undertook necropsy (Figure 2).

Figure 2 – Mice necropsy on the 15th day of the experiment, received 2000 mg/kg of nanosulfur At necropsy of the mouse from the group of 2000 mg/kg subjected to euthanasia, the following was found (Figure 2). Chest cavity was free from the liquid, pleura surface without changes; rose pink lungs, aerial, full-blooded selected proportions. In the heart coronary vessels are clearly traced. Diaphragmatic cupula is not changed. The surface of the visceral organs, intestinal loops (small and large), mesenteric lymph nodes were unchanged. However, the colon is swollen. The spleen is dark - cherry color, it has been increased, with the longitudinal section it is not left on the scraping blade scalpel. Kidney - light brown, kidney capsule is taken off hard. At section the border between the brain and the cortical layer is     ISSN 2224-5308 Серия биологическая и медицинская. № 6. 2016 well-differentiated, pelvises are extended and a little bit swollen. The stomach contents was noted, the mucous fold structure has been preserved. When cross-section of the duodenum the pale yellow and odorless homogeneous chyme flowed. Colon loops are swollen. Reproductive system organs were without changes. When probing the uterine horns are passable. Oral cavity is free, mucous is unchanged.

As observed mortality of animals at a dose of 2000 mg/kg, according to the manual [19] nanosulfur dose was reduced to 300 mg/kg. Animal mortality at 300 mg/kg was missed throughout the observation period (14 days). In the first experiment hours,the following toxic symptoms were observed: animals huddled together, increasing of response to external stimuli (noise). All symptoms disappeared within 4 hours after administration of the test substance. Dynamics of changes in animal body weight during the experiment is presented in Table.

Change in body weight of mice after single intragastric administration of nanosulfur in a dose of 300 mg/kg, M ± m

–  –  –

Investigation of the body weight dynamics of mice, treated with nanosulfur solution, showed no significant reduction in this parameter. After 15 days all animals were taken from the experiment by euthanasia in the CO2 chamber and macroscopy of internal organs of experimental animals was conducted (Figure 3).

Figure 3 – Necropsy of mouse received 300 mg/kg of nanosulfur

Positions of organs were anatomically correct, the peritoneum was smooth and shiny, the thoracic and abdominal fluid was not found. The liver is a dark brown color, the edge looked round at the blade ventral side, at section there is a faint scraping, all of the blades surface are flat and smooth. Spleen is dark cherry color, enlarged, swollen capsule looked tense, shiny, when a cut a white pulp was traced. Faint scraping is on the cut edge. Kidneys are bean-shaped, smooth, shiny, elastic, capsule was easily removed.

At the cutting off the border of cortex and medulla is clear, cortex prevailed. Pelvic organs were intact.

Subcutaneous lymph nodes were not enlarged.

Histologic examination of the mice liver in the control group showed a typical morphological pattern, similar to that of the organs, without pathological changes. In the study of kidneys structural changes are not detected. At histological sections of the spleen pathological and morphological changes in the structural components of the organ was not observed. The structures of the lung, heart and stomach were intact.

Histological examination of the mice tissues from the group of 2000 mg/kg showed liver hepatocytes with hyperchromatic nucleus and homogeneous eosinophilic cytoplasm. Hepatocytes are in small- and medium-droplet steatosis. Organ strom is focally infiltrated by lymphoid cellular elements. The activation of Kupffer cells was detected. Expanding the Disse's space is mainly in the periportal zone. Focal perivascular edema (Figure 4).

  Известия Н Национально академии н ой наук Республ лики Казахст тан

–  –  –

НАНОККІРТТІ ЖЕДЕЛ УЫТТЫЛЫЫН ЗЕРТТЕУ

Аннотация. Наноккіртті жедел уыттылыын млшері 75 нм болатын аналы тышандара жтызу арылы зерттелді. Орта лім-жітімге келетін доза 300–2000 мг/кг ауымында болатыны крінді. озалыс белсенділігіні тмендеуіне сйкес улану симптомдары байалды. Некропсия жне гистологиялы зерттеу кезінде то ішекті ісінуі мен бауыр жне бйректе дистрофикалы згерістері пайда болды. Гепатоциттер са жне орта май тамшыларынан ралды. Нтижесінде, наноккіртті нтаталан ккіртке араанда уытты екені аныталды.

Тйін сздер: наноккірт, наноматериал, жедел уыттылы, нанотоксикология.

М. М. Буркитбаев1, Р. А. Исламов2, Т. С. Кустова2, Г. А. Кон2, А. Н. Сабитов2, А. И. Ильин2 РГП «Казахский национальный университет им. аль-Фараби», Алматы, Казахстан, АО «Научный центр противоинфекционных препаратов», Алматы, Казахстан

ИЗУЧЕНИЕ ОСТРОЙ ТОКСИЧНОСТИ НАНОСЕРЫ

Аннотация. Острую токсичность при пероральном введении наносеры размером около 75 нм изучали на самках мышей. Было показано, что средняя смертельная доза находилась в диапазоне 300–2000 мг/кг.

Наблюдались токсические симптомы в виде снижения активности животных. При некропсии и гистологическом исследовании обнаружили вздутие толстого кишечника, дистрофические изменения в печени и почках. Гепатоциты содержали мелкие и средние жировые капли. В результате было установлено, что наносера токсичнее, чем молотая сера.

Ключевые слова: наносера, наноматериал, острая токсичность, нанотоксикология.

Сведения об авторах:

Буркитбаев М.М. – первый проректор КазНУ им аль-Фараби, член-корреспондент НАН РК, доктор химических наук, профессор, e-mail: Mukhambetkali.Burkitbayev@kaznu.kz Исламов Р.А. – начальник отдела доклинических испытаний, АО «Научный центр противоинфекционных препаратов», кандидат биологических наук, конт.тел. 8-701-80-30-500, e-mail: renatislamov@gmail.com Кустова Т.С. – заведующий лабораторией фармакологии и токсикологии, АО «Научный центр противоинфекционных препаратов», PhD Кон Г.А. – научный сотрудник лаборатории фармакологии и токсикологии, АО «Научный центр противоинфекционных препаратов»

Сабитов А.Н. – управляющий исследовательской базой, АО «Научный центр противоинфекционных препаратов», кандидат химических наук Ильин А.И. – председатель Правления АО «Научный центр противоинфекционных препаратов», доктор химических наук, академик КазНАЕН  

–  –  –

NEWS

OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN

SERIES OF BIOLOGICAL AND MEDICAL

ISSN 2224-5308 Volume 6, Number 318 (2016), 23 – 29 A. S. Kurmanbayeva1, A. Russell2, S. E. Zhumabayeva1, B. A. Gazdiyeva1, A. Althonayan2, M. Ali2, K. K. Akhmetov3, Y. Mukanov1 Sh. Ualikhanov Kokshetau State University, Kokshetau, Kazakhstan, Brunel University, London, Great Britain, S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, Kazakhstan.

E-mail: aygul6868@mail.ru; andrew.russell@brunel.ac.uk; zhumabaeva@mail.ru; k-bella@mail.ru;

abrahim.althonayan@brunel.ac.uk; maged.ali@brunel.ac.uk; kanakam61@mail.ru; yelzhx@mail.ru

AIR POLLUTION AND PUBLIC HEALTH RISK ASSESSMENT:

CASE OF THE AKMOLA REGION

Abstract. Mining and processing are the main industries in Akmola region. The article focuses on analysis of the air pollution data in the period from 1998 to 2015 in the abovementioned region. The aim of the research is the assessment of environmental risks of man-made air pollution to human health in the Akmola region. It is shown that the total amount of industrial emissions into the atmosphere has increased significantly in 2004, but later emissions fell sharply. The obvious tendency of reducing the emissions persists in the region. It was determined, that recently the number of vehicle emissions much higher than the emissions from stationary sources, which is related to the increase of number of cars. Solid dust particles, sulfur dioxide and carbon monoxide pollutants are main pollutants.

The research analysis of primary morbidity shows the high correlation of average values between dust indicators and respiratory and circulatory diseases. High morbidity indicators in Akmola region on diseases caused by environmental risks prove increased influence of environmental factors on the population health in Akmola region.

Key words: environmental risk, air pollution, healthcare, health, industries, emissions, morbidity, monitoring.

УДК 574.2

–  –  –

ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

В АКМОЛИНСКОЙ ОБЛАСТИ И ОЦЕНКА

ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ НАСЕЛЕНИЯ

Аннотация. В Акмолинской области ведущими отраслями промышленности являются горнодобывающая и горно-перерабатывающая. В статье представлен анализ данных по загрязнению атмосферного воздуха в регионе с 1998 года по 2015 год. Цель данных исследований – оценка уровня экологического риска техногенного загрязнения атмосферного воздуха для здоровья населения в Акмолинской области. Показано, что общий объём промышленных выбросов в атмосферу в 2004 году значительно повысился, но в дальнейшем количество выбросов резко сократилось. Тенденция снижения выбросов от предприятий сохраняется. Установлено, количество выбросов от автотранспорта в последние годы намного превышает объемы выбросов от стационарных источников, что связано с ростом численности автомобилей. По качественному составу основную часть выбросов составляют твердые пылевые частицы, сернистый ангидрид и угарный газ.

  Известия Национальной академии наук Республики Казахстан По результатам исследований первичной заболеваемости установлена высокая корреляционная зависимость средних величин показателей запыленности и болезней органов дыхания и кровообращения. Высокие показатели заболеваемости в Акмолинской области по болезням, обусловленными экологическими рисками доказывают повышенное влияние факторов окружающей среды на здоровье населения Акмолинской области.

Ключевые слова: экологический риск, загрязнение воздуха, здоровье, предприятия, выбросы, мониторинг, заболеваемость.

Введение. В условиях прогрессирующего антропогенного загрязнения окружающей среды одной из актуальнейших задач, стоящих перед учеными, является проведение комплексного анализа средовых факторов с применением технологий оценки риска здоровью населения [1-3].

Выявление факторов, отрицательно влияющих на жизнедеятельность человека, позволит обосновывать и регулировать различные управленческие решения. Учет не только экономической рентабельности производств, но и оценка экологического риска поможет принимать оптимальные с природоохранной точки зрения решения [4-6].

В Республике Казахстан в последнее десятилетие при проведении исследований в области охраны окружающей среды часто учитываются как минимум два типа рисков: риск загрязнения окружающей среды и риск для здоровья населения. Идентификация источников и опасных факторов риска, определение объектов различной степени риска, сопоставление уровней фактического загрязнения с их нормативными величинами – все это относят к начальному этапу оценки риска [7-9]. Выявление причинно-следственных связей между факторами загрязнения окружающей среды и показателями здоровья, уровнем заболеваемости и смертности, позволяет качественно и количественно охарактеризовать экологический риск и переориентировать систему управления качеством окружающей среды в интересах здоровья населения [10-13]. Все чаще используемая исследователями методология оценки рисков дает возможность гармонизировать систему управления качеством окружающей среды с международными принципами и требованиями [14].

Выявление и снижение факторов риска здоровью имеет особое значение для Акмолинской области, так как в регионе наблюдается депопуляция населения, высокий уровень смертности по отношению к средним республиканским значениям и высокий уровень онкологической заболеваемости и смертности. Возрастающее загрязнение окружающей среды, необходимость соблюдения норм экологической безопасности и внедрение более эффективных инструментов для управления экологическими рисками, а также слабая изученность загрязнения воздуха в Акмолинской области определили актуальность наших исследований.

Цель: изучить уровень техногенного загрязнения атмосферного воздуха в Акмолинской области и оценить экологический риск для здоровья населения.

Задачи: провести ретроспективный анализ загрязненности атмосферы Акмолинской области, изучить заболеваемость населения региона экологически обусловленными болезнями и установить уровень экологического риска.

Методы исследования. Для оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха в Акмолинской области использовались официальные информационно-аналитические отчеты Департамента экологии Акмолинской области [15], Статистические ежегодники подготовленные Управлением статистики Акмолинской области за период с 1998 по 2015 г. [16]. Исходными материалами при изучении показателей здоровья являлись отчетные документы Департамента Здравоохранения Акмолинской области [17]. Данные подвергались статистической обработке с помощью пакета программ Excel.

Результаты исследований и их обсуждение. Акмолинская область по площади территории занимает 147 тысяч м2, что составляет 5% от всей территории Республики Казахстан. Административно область делится на 17 районов, имеет 10 городов. Почти половина из общего количества населения проживают в городах (47%) [18].

Ведущими отраслями промышленности области являются горнодобывающая, горно-перерабатывающая, химическая, теплоэнергетика, легкая и пищевая промышленность. В регионе насчитывается более 20 горнодобывающих и перерабатывающих предприятий.

На территории Акмолинской области имеется около 100 тысяч источников выбросов, из них стационарных 3% и передвижных 97%. Из общего количества выбросов от стационарных источISSN 2224-5308 Серия биологическая и медицинская. № 6. 2016 ников выбрасывается без очистки 77% и после очистки 23%. Предприятиями, оказывающими наибольшее влияние на загрязнение окружающей среды в области, являются РК-2, ГККП «Городское объединение коммунального хозяйства», ОАО ГМК «Казахалтын», ТОО «Шантобе Энерго», «Джет-7», ТОО «Оркен - Атансор», ТОО «СГКХ».

Общий объём промышленных выбросов в атмосферу с 1998 г. по 2003 г.

колебался незначительно, до 2000 г. данный показатель снижался, затем наблюдался незначительный подъем (рисунок 1). В 2004 г. количество выбросов резко повысилось в 2,2 раза по сравнению с предыдущим годом. Такое повышение данного показателя объясняется несколькими причинами: во-первых, в 2004 г. в области было зафиксировано гораздо большее количество стационарных источников выбросов (2423 в 2004 г. против 1059 в 2003 г.); во-вторых, ужесточением сбора отчётности от природопользователей; в-третьих, повышением качества, методической выверенностью и большей точностью учётно-расчётной работы, проводимой специалистами–экологами, была также произведена инвентаризация всех стационарных источников выбросов в атмосферу, крупных и мелких котельных.

Выбросы, тыс. тонн Рисунок 1 – Общий объём промышленных выбросов в атмосферу Акмолинской области, в тыс. тонн, (1998-2015) В дальнейшем, начиная с 2005 г., количество выбросов резко снизилось на 32%, и в период с 2005 по 2007 годы объем выбросов изменялся незначительно, в пределах от 130,1 тысяч до 135,6 тысяч т. Данное снижение выбросов в атмосферу обусловлено ужесточением экологических требований к предприятиям, сверхнормативно загрязняющим окружающую среду. В 2008 г. было повторное резкое сокращение выбросов на 25%, и затем вплоть до 2013 г. наблюдалась тенденция незначительного снижения выбросов. Такое сокращение выбросов загрязняющих веществ в области было связано с проведением различных природоохранных мероприятий: переведением котельных на электрическое отопление, установкой циклонов, заменой фильтров по улавливанию золы и увеличению степени очистки уходящих газов.

Таким образом, в период с 2005 по 2015 гг. общий объем выбросов в атмосферу был стабилизирован за счет внедрения обязательной экологической экспертизы, природоохранных мероприятий и ужесточения государственного контроля в области охраны окружающей среды.

По качественному составу основную часть выбросов в атмосферу составляют твердые пылевые частицы (60–70%), сернистый ангидрид и угарный газ (25–35%), и в меньших объемах диоксид азота (5- 10%) (рисунок 2).

С 2000 по 2007 г. наблюдалось ежегодное повышение количества загрязнителей, выброшенных в атмосферу стационарными источниками. За данный период количество твердых пылевых частиц увеличилось на 30%, сернистого газа на 18,75%, диоксида азота на 36%, угарного газа на 40%. В 2008 г. количество выбросов снизилось на 20-25% в связи с проведением большого количества природоохранных мероприятий. Тенденция снижения выбросов сохраняется (с 2008 по 2015 гг.), несмотря на расширение производства, так как ежегодно на предприятиях региона планомерно внедряются пылегазоочистные технологии.

  Известия Национальной академии наук Республики Казахстан Выбросы, тыс.т.

Годы

–  –  –

Масса выбросов в атмосферу от автотранспорта в 2004 г. при сравнении с 2003 г. возросла в 3,5 раза. Это было связано с увеличением количества автомобилей по области (98305 в 2004 г.

против 84369 в 2003 г.), и с более точными расчётами по объемам загрязнения атмосферы передвижными источниками.

В дальнейшем за период с 2004 по 2008 гг. наблюдалось увеличение объемов выбросов от передвижных источников, что было связано с ростом численности автотранспорта, а также тяжелой техники. Ежегодно происходило также увеличение парка сельскохозяйственной техники.

Начиная с 2007 г., количество выбросов от автотранспорта превышает количество выбросов от стационарных источников. Высокие темпы роста автотранспортных средств в Акмолинской области и, как следствие, угрожающие объемы загрязнения воздуха автомобилями вызывают опасения.

Вместе с тем, следует отметить, что ввиду недостаточного количества средств контроля (газоанализаторов, дымомеров) контроль на существующих крупных автотранспортных предприятиях находится не на должном уровне, особенно в районах. В результате от 20 до 40% парка автомобилей эксплуатируются с превышением норм токсичности и дымности.

По сложившейся в Республике Казахстан системе, также как и во всех странах постсоветского пространства, данные о выбросах предприятий в атмосферу усреднены или основаны на заявлениях самих предприятий. Большая часть проанализированных нами данных показывают характер рассеяния загрязняющих веществ в воздухе, установленных с помощью модельных расчетов.

Мониторинговые наблюдения за загрязнением воздуха в Акмолинской области осуществляются лишь в городах Кокшетау и Степногорск. Здесь автоматические станции установлены сравнительно недавно. В целом по г. Кокшетау среднемесячные концентрации взвешенных веществ составляли 1,3 ПДКс.с., остальные загрязняющие вещества не превышали ПДК. По г. Степногорск наблюдались превышения среднемесячных концентраций озона, которые составили 4,3 ПДКс.с. [19].

Загрязнение атмосферного воздуха оказывают негативное влияние на здоровье населения.

Сравнительный анализ демографических показателей и первичной заболеваемости показал, что наиболее низкие данные по рождаемости и естественному приросту населения по сравнению с республиканскими показателями отмечались в Акмолинской области [20].

Анализ распространенности и частоты вновь выявленных заболеваний в исследуемом регионе среди взрослого населения показал, что особое место в структуре заболеваемости занимают экологически обусловленные болезни, к которым относятся болезни органов дыхания, системы кровообращения, пищеварения, ишемические болезни сердца, доброкачественные и злокачественные новообразования. Была выявлена высокая корреляционная зависимость средних величин показателей запыленности и заболеваемости органов дыхания и кровообращения (r = 0,85 и 0,75 соответственно). Болезни органов дыхания составляют 47% в общей структуре заболеваемости населения Акмолинской области, одной из причин повышения легочных патологий может являться повышенное загрязнение воздуха. Содержание сероводорода, оксидов азота и озона в воздухе влияет на уровень заболеваемости и смертности от доброкачественных и злокачественных образований (r = 0,8).

    ISSN 2224-5308 Серия биологическая и медицинская. № 6. 2016 Вызывает опасение тот факт, что наблюдается негативная тенденция роста онкопатологий в Акмолинской области. Если заболевамость злокачественными и доброкачественными болезнями в 2008 г. составляла 208 случаев на 100 тыс. населения, то в 2014 г. этот показатель вырос до 262 случаев на 100 тыс. населения, заболеваемость онкопатологией повысилась на 25%, что отражает экологическое неблагополучие в регионе.

Несмотря на тот факт, что нормы загрязненности атмосферы в Акмолинской области в основном не были превышены (индекс загрязненности атмосферы составлял 0,3–0,6), очевидно, что выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух влияют на рост заболевания населения.

Показатели заболеваемости в Акмолинской области превышали республиканские показатели по болезням органов дыхания на 26 %, по доброкачественным и злокачественным образованиям на 34%, по иiемическим болезням сердца на 36%, по болезням системы кровообращения на 25%, по болезням органов пищеварения на 23%, по смертности от злокачественных новообразований на 42%.

Высокие показатели заболеваемости по болезням, обусловленным экологическими рисками (болезни органов дыхания, онкопатологий и др.), доказывают повышенное влияние факторов окружающей среды на здоровье населения Акмолинской области. Данное обстоятельство свидетельствует о необходимости более детального изучения экологического состояния окружающей среды в регионе.

В связи с этим следует отметить, что количество существующих постов наблюдения за состоянием воздушного бассейна Акмолинской области недостаточно для объективной оценки качества атмосферного воздуха. Так, слабая техническая и приборная оснащенность постов не позволяет вести наблюдения за всеми опасными загрязняющими веществами, присутствующими в воздухе. Эти обстоятельства требуют как переоснащения существующих постов наблюдения, так и установки новых постов для всестороннего и непрерывного мониторинга состояния атмосферного воздуха в Акмолинской области.

Кроме того, является насущным внедрение централизованной информационной программы для обработки большого количества данных о состоянии окружающей среды и здоровья населения области. Такая аналитическая программа позволит установить причинно-следственные связи в системе «среда обитания – здоровье населения» и, как следствие, прогнозировать и эффективно управлять экологическими рисками здоровью человека.

Источники финансирования. Данная работа выполнена в рамках проекта: «A Multi-dimensional Environment – Health Risk Analysis System for Kazakhstan» при фининсовой поддержке Партнерской программы «Ньютон - аль-Фараби».

Слова благодарности. Авторы выражают благодарность руководителям государственных учреждений Акмолинской области за предоставленные статистические данные и отчетные документы.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Дюсембаева Н.К., Шпаков А.Е., Салимбаева Б.М. Состояние здоровья населения на урбанизированных территориях Казахстана // Современная медицина: актуальные вопросы. – Новосибирск: СибАК, 2014. – № 7(33).

[2] Вяльцина Н.Е., Боев В.М., Верещагин Н.Н., и др. Оценка вклада факторов среды обитания в формирование демографической ситуации на региональном уровне // Гигиена и санитария. – 2009. – № 4. – С. 20-22.

[3] Досмагамбетова Р.С., Турмухамбетова А.А., Терехин С.П. [и др.]. Экологические риски и здоровье населения // Медицина и экология. Караганда, 2014. – С. 5-10.

[4] Омирбаева С.М., Кулкыбаев Г.А., Шпаков А.Е. и др. Проблемы оценки риска воздействия факторов окружающей среды на здоровье населения Республики Казахстан // Медицина труда и пром. экология. – 2007. – № 2. – С. 3-4.

[5] Lee M.-L. Risk Assessment and Evaluation of Predictions. – NY: Springer, 2013. – ISBN 978-1-4614-8981-8.

[6] Рахманин Ю.А., Иванов С.И., Новиков С.М. и др. Актуальные проблемы комплексной гигиенической характеристики факторов городской среды и их воздействие на здоровье населения // Гигиена и санитария. – 2007. – № 5. – С. 5-8.

[7] Theodore L. National Academy Press. Air Pollution Control Equipment Calculations. – NJ: John Wiley & Sons, Hoboken, 2008. – ISBN 978-0-470-20967-7.

[8] Beak S., Kim Y., Perry R. Indoor air quality in homes, offices and restaurants in Korean urban areas – indoor/outdoor relationship // Atmospheric Environment. – 1997. – 31(4). – P. 529-544. – DOI:10.1016/S1352-2310(96)00215-4.

[9] Bachmann John. Will the circle be unbroken: A history of the U.S. National Ambient Air Quality Standards. Journal of the Air Waste Management Association. – 2007. – 57. – P. 652–697. – DOI: 10.3155/1047-3289.57.6.652.

[10] Yoshioka Y., Higashisaka K., Tsutsumi Y. Biocompatibility of Nanomaterials. Springer. – 2015. – DOI: 10.1007/978Известия Национальной академии наук Республики Казахстан [11] Cao J.J., Lee S.C., Chow J.C., Cheng Y., Ho K.F., Fung K., et al. Indoor/outdoor relationships for PM2.5 and associated carbonaceous pollutants at residential homes in Hong Kong – case study // Indoor Air. – 2005. – 15. – DOI:10.1111/j.1600-0668.2005.00336.x..

[12] Dockery D.W., Pope C.A. III Acute respiratory effects of particulate air pollution // Annual Review of Public Health. – 1994. – 15. – P. 107-132. – DOI: 10.1146/annurev.pu.15.050194.000543.

[13] Jones A.P. Indoor air quality and health // Atmospheric Environment. – 1999. – 33. – P. 4535-4564. – DOI:10.1016/S1352-2310(99)00272-1.

[14] Wong L.T., Mui K.W. Evaluation of four sampling schemes for assessing indoor air quality // Building and Environment. – 2007. – 42. – P. 1119-1125. – DOI:10.1016/j.buildenv.2005.11.014.

[15] Информационно-аналитический отчет по контрольной и правоприменительной деятельности ГУ «Департамент экологии по Акмолинской области». – Кокшетау, 1998–2015 годы.

[16] Статистические ежегодники по Акмолинской области. Департамент статистики Акмолинской области. – Кокшетау, 1998–2015 годы.

[17] Статистические сборники «Здоровье населения и деятельность медицинских организаций Акмолинской области». – Кокшетау, 2004–2015 годы.

[18] www.stat.gov.kz / Сайт Комитета по статистике Реcпублики Казахстан.

[19] «Информационный бюллетень о состоянии окружающей среды Республики Казахстан». – РГП «Казгидромет», Департамент экологического мониторингаю – Астана, 2000–2014 г.

[20] Ежегодный статистический сборник Республики Казахстан «Охрана окружающей среды и устойчивое развитие Казахстана» Комитет по статистике Министерства национальной экономики РК. – Астана, 1998–2015 г.

REFERENCES

[1] Djusembaeva N.K., Shpakov A.E., Salimbaeva B.M. [i dr.]. (2014) Sostojanie zdorov'ja naselenija na urbanizirovannyh territorijah Kazahstana, Sovremennaja medicina: aktual'nye voprosy. № 7(33). Novosibirsk: SibAK (in Rus.) [2] Vjal'cina N.E., Boev V.M., Vereshhagin N.N., i dr. (2009) Ocenka vklada faktorov sredy obitanija v formirovanie demograficheskoj situacii na regional'nom urovne, Gigiena i sanitarija. № 4. S. 20–22, (in Rus.).

[3] Dosmagambetova R.S., Turmuhambetova A.A., Terehin S.P. [i dr.].(2014) Jekologicheskie riski i zdorov'e naselenija, Medicina i jekologija. Karaganda, s 5-10, (in Rus.).

[4] Omirbaeva S.M., Kulkybaev G.A., Shpakov A.E. i dr. (2007) Problemy ocenki riska vozdejstvija faktorov okruzhajushhej sredy na zdorov'e naselenija Respubliki Kazahstan, Medicina truda i prom. jekologija. №2. S. 3–4, (in Rus.).

[5] Lee M.-L. (2013) Risk Assessment and Evaluation of Predictions. NY: Springer. ISBN 978-1-4614-8981-8 (in Eng.).

[6] Rahmanin Ju.A., Ivanov S.I., Novikov S.M. i dr.(2007) Aktual'nye problemy kompleksnoj gigienicheskoj harakteristiki faktorov gorodskoj sredy i ih vozdejstvie na zdorov'e naselenija, Gigiena i sanitarija. № 5. S. 5–8, (in Rus.).

[7] Theodore L. (2008) National Academy Press. Air Pollution Control Equipment Calculations. – NJ: John Wiley & Sons, Hoboken. ISBN 978-0-470-20967-7, (in Eng.).

[8] Beak, S., Kim, Y., & Perry, R. (1997). Indoor air quality in homes, offices and restaurants in Korean urban areas– indoor/outdoor relationship. Atmospheric Environment, 31(4), 529–544. DOI:10.1016/S1352-2310(96)00215-4, (in Eng.).

[9] Bachmann, John. 2007. Will the circle be unbroken: A history of the U.S. National Ambient Air Quality Standards.

Journal of the Air Waste Management Association 57:652–697.DOI: 10.3155/1047-3289.57.6.652 (in Eng.).

[10] Y. Yoshioka, K. Higashisaka, Y. Tsutsumi. (2015) Biocompatibility of Nanomaterials. Springer.DOI:10.1007/978-1in Eng.).

[11] Cao, J. J., Lee, S. C., Chow, J. C., Cheng, Y., Ho, K. F., Fung, K., et al. (2005). Indoor/outdoor relationships for PM2.5 and associated carbonaceous pollutants at residential homes in Hong Kong–case study. Indoor Air, 15, 197–[204].

DOI:10.1111/j.1600-0668.2005.00336.x. (in Eng.).

[12] Dockery, D. W., & Pope, C. A. III (1994). Acute respiratory effects of particulate air pollution. Annual Review of Public Health, 15, 107–132. DOI:10.1146/annurev.pu.15.050194.000543. (in Eng.).

[13] Jones, A. P. (1999). Indoor air quality and health. Atmospheric Environment, 33, 4535–4564. DOI:10.1016/S1352in Eng.).

[14] Wong, L. T., & Mui, K. W. (2007). Evaluation of four sampling schemes for assessing indoor air quality. Building and Environment, 42, 1119–1125. DOI:10.1016/j.buildenv.2005.11.014. (in Eng.).

[15] Informacionno-analiticheskij otchet po kontrol'noj i pravoprimenitel'noj dejatel'nosti GU «Departament jekologii po Akmolinskoj oblasti». Kokshetau, 1998 – 2015 gody. (in Rus.).

[16] Statisticheskie ezhegodniki po Akmolinskoj oblasti. Departament statistiki Akmolinskoj oblasti. Kokshetau 1998 – 2015 gody(in Rus.).

[17] Statisticheskie sborniki «Zdorov'e naselenija i dejatel'nost' medicinskih organizacij Akmolinskoj oblasti», Kokshetau 2004 – 2015 gody. (in Rus.).

[18] www.stat.gov.kz / Sajt Komiteta po statistike Recpubliki Kazahstan.

[19] «Informacionnyj bjulleten' o sostojanii okruzhajushhej sredy Respubliki Kazahstan», RGP «Kazgidromet», Departament jekologicheskogo monitoringa, Astana 2000 -2014g. (in Rus.).

[20] Ezhegodnyj statisticheskij sbornik Respubliki Kazahstan «Ohrana okruzhajushhej sredy i ustojchivoe razvitie Kazahstana» Komitet po statistike Ministerstva nacional'noj jekonomiki RK, Astana 1998 -2015g. (in Rus.).

–  –  –

АМОЛА ОБЛЫСЫНДА АТМОСФЕРАЛЫ АУАНЫ ЛАСТАНУЫ ЖНЕ

АДАМ ДЕНСАУЛЫЫ ШІН ЭКОЛОГИЯЛЫ ТУЕКЕЛДЕРДІ БААЛАУ

Аннотация. Амола облысында тау-кен ндіру жне ндеу нерксіп салалары негізгі болып табылады.

Бл маалада 1998 жылдан 2015 жыла дейінгі айматаы атмосфералы ауаны ластануы бойынша деректертеріні талдауы сынылан. Зерттеулерді масаты – Амола облысында трындар денсаулыына атмосфералы ауаны техногендік ластануыны экологиялы туекелді дегейін баалау. Атмосфераа нерксіптік шыарындыларды жалпы клемі 2004 жылы айтарлытай сті, біра кейін жылдарда шыарындыларды клемі тмендеді, деп крсетілген. Ксіпорындар шыарындыларыны тмендеу рдісі саталып отыр. Соы жылдары, автоклік саныны суіне байланысты автоклікті шыарындылары стационарлы кздерден туындайтын эмиссияларына лдеайда жоары болып белгіленеді. Сапалы рамы бойынша шыарындыларды негізгі блігін атты ша блшектері, ккірт диоксиді жне кміртегі монооксиді райды.

Бастапы сыраттанушылы зерттеулерді нтижелері бойынша ша крсеткіштер мен тыныс алу мшелеріні, ан айналымы ауруларыды орташа мндеріні жоары корреляция туелділігі байалан. Амола облысыны ауруларыны жоары крсеткіштері келісілген экологиялы туекелдеріне орай Амола облысы бойынша трындарыны денсаулыына оршаан орта факторларыны жоары серін длелдейді.

Тйін сздер: экологиялы туекел, ауаны ластануы, денсаулы, ксіпорындар, шыарындылар, мониторинг, сыраттанушылы.

Сведения об авторах:

Курманбаева А.С. – к.б.н., и.о. доцента кафедры географии, экологии и туризма Кокшетауского государственного университета им.Ш.Уалиханова;

Russell A. – PhD доктор, профессор Брунель Университета;

Жумабаева С.Е. – к.б.н., доцент кафедры биологии и МПБ Кокшетауского государственного университета им.Ш.Уалиханова;

Газдиева Б.А. – к.ф.н., доцент кафедры английского языка и МП Кокшетауского государственного университета им.Ш.Уалиханова;

Althonayan A. – PhD доктор, профессор Брунель Университета;

Ali M. –PhD доктор, профессор Брунель Университета;

Ахметов К.К. – д.б.н., профессор, декан факультета химических технологий и естествознания;

Муканов Е. – магистр, сотрудник IT отдела Кокшетауского государственного университета им. Ш. Уалиханова  

–  –  –

NEWS

OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN

SERIES OF BIOLOGICAL AND MEDICAL

ISSN 2224-5308 Volume 6, Number 318 (2016), 30 – 36

–  –  –

EXPERIENCE OF ONE-ELECTRODE CATHETER

SYMPLICITY FLEX AND CATHETER MULTIELEKTRODNOGO

SYMPLICITY SPYRAL IN KAZAKHSTAN

Abstract. The article presents an analysis radichastotnoy denervation of the renal artery was performed in 44 patients in the I-th group and 14 patients in II - the first group. 6 months after renal artery re RDN were examined 25 patients of the I-th group and 4 in the II-nd group. In no case did not reveal long-term complications, significant deterioration of renal blood flow and renal function. It was found a marked reduction of office blood pressure 6 months after the application of the RDN of the renal artery, there was a decrease systolic blood pressure / diastolic blood pressure measurement at the office at 39/28 mm Hg. Art. (P 0,01) in the I-band and at 58/46 mm Hg. Art. in the II-group, respectively. The average duration of RDN renal artery procedure in I-group was 63,3 ± 27,01 min., While in II-group 36,4 ± 15,63 min. Conclusion. Application in clinical practice multielektrodnogo catheter helps to significantly reduce the total duration of the intervention and improve efficiency.

Keywords: resistant hypertension, renal artery denervation radichastotnoy, multielektrodny catheter.

УДК 616-089;617.5;616.1

–  –  –

Международный казахско университет им. А. Ясави, Шымкент, Казахстан

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ОДНОЭЛЕКТРОДНОГО КАТЕТЕРА

SYMPLICITY FLEX И МУЛЬТИЭЛЕКТРОДНОГО КАТЕТЕРА

SYMPLICITY SPYRAL В КАЗАХСТАНЕ

Аннотация. Цель исследования – сравнить эффективность и безопасность применения одноэлектродного катетера Symplicity Flex и мультиэлектродного катетера Symplicity Spyral. Материалы и методы. Критерии включения в исследование: возраст 30–70, диагноз эссенциальной артериальной гипертензии (АГ), артериальное давление (АД) 160/100 мм рт. ст. на фоне приема трех и более препаратов, письменное информированное согласие. Критерии исключения: средне-суточное систолическое АД 135 мм рт. ст, скорость клубочковой фильтрации 45 мл/мин/1,73 м2), симптоматическая АГ. В обеих группах радичастотной денервации (РДН) почечной артерии проводилась радиочастотными волнами с мощностью 5-8 Вт с постоянно контролируемой температурой и импедансом. В I-й группе длительность каждой аппликации составляла 2 мин, во II-й группе длительность каждой аппликации составляла 1 мин. Результаты. На момент данного анализа радичастотной денервации почечной артерии выполнена у 44 пациентов в I -й группе и у 14 пациентов во II-й группе. Через 6 месяцев после РДН почечной артерии повторно были обследованы 25 пациентов I-й группе и 4 во II-й группе. Ни в одном случае не выявлено отдаленных осложнений, значимого ухудшения почечного кровотока или функции почек. Обнаружено выраженное снижение офисного АД через 6 месяцев после применения РДН почечной артерии, отмечалось снижение показателей систолического АД/ диастолического АД при офисном измерении на 39/28 мм рт. ст. (p 0,01) в I-группе и на 58/46 мм рт.

ст. во II -группе соответственно. Средняя продолжительность процедуры РДН почечной артерии у I-группы     ISSN 2224-5308 Серия биологическая и медицинская. № 6. 2016 составила 63,3±27,01 мин., а во II-группе 36,4±15,63 мин. Вывод. Применение в клинической практике мультиэлектродного катетера способствует значительно сократить общую продолжительность вмешательства и улучшить эффективность.

Ключевые слова: резистентная артериальная гипертензия, радичастотной денервации почечной артерии, мультиэлектродный катетер.

Введение. ВОЗ определяет артериальную гипертонию (АГ), как «ведущий глобальный риск повышения смертности от сердечно-сосудистых заболеваний в мире» (TheTask Force for the management of arterial hypertension of the European Society of Hypertension (ESH) and of the European Society of Cardiology (ESC), 2013). Во всём мире ежегодно 7 млн человек умирают и 1 млрд страдают из-за высокого артериального давления или гипертонии (Zhunuspekova, 2014).

Так же АГ занимает третье место в мире в качестве причины инвалидизации населения (Cicala et al., 2010). Имеется линейная взаимосвязь между уровнем артериального давления и вероятностью развития этих событий. Каждое повышение cистолического артериального давления (САД) на 20 мм.рт.ст., а диастолического – на 10 мм рт.ст. увеличивает возможность возникновения тяжелых, в том числе летальных осложнений в 2 раза (Bruno, 2012, Egan et al., 2010). АГ становится причиной смерти от инсульта в 51 % случае, 45 % летальных исходов ишемической болезни сердца (ИБС) также обусловлены имеющейся у пациентов ГБ (Dias et al., 2011).

Резистентная артериальная гипертензия (РАГ) является одной из форм АГ, которая влечет за собой высокий уровень заболеваемости и смертности, а также увеличение дополнительных расходов на диагностику и лечение. Согласно определению Европейского общества кардиологов (2013) РАГ – это клиническая ситуация, в которой при одновременном назначении 3 и более антигипертензивных лекарственных препаратов различных классов (один из которых – диуретик) не удается достичь целевого АД (140/90 мм рт.ст.). По оценкам, у больных гипертонической болезнью уровень распространения РАГ составляет 10% -15% (Calhoun et al., 2008, Daugherty et al.,2012), а в некоторых подгруппах больных гипертонией, таких как пациенты с ожирением, сахарным диабетом, хронической почечной недостаточностью, частота случаев РАГ 2 раза выше по сравнению с общей популяцией (Erdine et al., 2011).

Исследования основанные на анализе 600 тыс. лиц с АГ, свидетельствуют о распространенности РАГ на уровне 14,8% среди леченых пациентов и 12,5% – среди общего количества больных АГ (Judd and Calhone, 2014).

В последние годы большой интерес вызывает развитие нового немедикаментозного методы лечения резистентной артериальной гипертонией (РАГ) радичастотной денервации почечной артерии (РДН почечной артерии), что дало надежду на улучшение результатов лечения. РДН почечной артерии основана на двусторонней радиочастотной катеторной аблации почечных нервов, расположенных в адвентиции почечный артерий.

После серии экспериментальных и первых клинических работ (Schlaich et al., 2009), свидетельствующих о стойком антигипертензивном эффекте РДН почечной артерии, в конце 2011 г.

были представлены результаты двух многоцентровых исследований, подтверждающих безопасность данного метода и ее отдаленную клиническую эффективность.

В Казахстане первые сообщения о работах в данном направлении встречаются с 2012 г., когда в "Национальном научном кардиохирургическом центре" было выполнено 77 РДН почечных артерии (Musayev et al., 2015). Широкое применение в практике упомянутой технологии начались с 2013 г. после презентации комании Medtronic системы Symplicity Catheter System™ на III Съезде терапевтов и V Конгрессе кардиологов Республики Казахстан. По данным наших исследователей, так же получены положительные результаты при применении РДН почечных артерий у больных с РАГ (Stanbul et al., 2014).

Одним из основных критериев внедрения нового метода лечения являются безопасность, результативность и продолжительность достигнутого эффекта. Следует подчеркнуть, что при оценке отдаленных результатов исследования Symplicity HTN-1 снижение антигипертензивного эффекта в течение 24 месячного периода не наблюдался (Flaa et al., 2011, Kovalenko, 2012).

В настоящее время в клиническую практику уже внедрены мультиэлектродные катетеры спиралевидным расположением электродов, которые должны исключить недостатки предыдущих устройств для РДН почечной артерии и повысить эффективность процедуры.

  Известия Национальной академии наук Республики Казахстан В данном исследовании нами поставлена задача сравнить эффективность и безопасность применения технологии Symplicity Catheter и мультиэлектродного катетера Symplicity Spyral для выявления оптимального варианта при лечении РАГ.

Материалы и методы. Исследование проводилось в соответствии с национальными и международными нормами, регулирующими клинические испытания новых методов лечения: Хельсинкской декларацией Всемирной медицинской ассоциации в действующей редакции 2004 г.

Прoтoкoл иccлeдoвaния был oдoбрeн Этичecким кoмитeтoм Нaучнo-клиничecкoгo цeнтрa кaрдиoxирургии и трaнcплaнтoлoгии, Казахстан. У вcex учacтникoв былo пoлучeнo пиcьмeннoe инфoрмирoвaннoe coглacиe o прoцeдурe лeчeния и вoзмoжныx ocлoжнeнияx. Клиничecкий рaздeл рaбoты выпoлнeн нa бaзe Нaучнo-клиничecкoгo цeнтрa кaрдиoxирургии и трaнcплaнтoлoгии, г. Тaрaз, Казахстан.

В качестве кандидатов для РДН не рассматривались больные среднесуточным АД ниже 135 мм рт. ст., больные с симптоматической АГ, больные с распространенными поражениями почечной артерии (ПА) и с тяжелыми сопутствующими заболеваниями. Также исключались больные с почечной недостаточностью (скорость клубочковой фильтрации (СКФ) 45 мл/мин/1,73 м2) и беременные. Необходимыми условиями для проведения РДН почечной артерии являлись диаметр почечных артерий не менее 4 мм и протяженность участка до первой бифуркации не менее 20 мм.

В исследование включено 58 пациента с РАГ в возрасте от 30 до 70 лет (средний возраст – 54,9±10,07 лет). Из них 34(58%) были женщины, у 3 - сахарный диабет, у 4 - ожирение и 5 перенесли ОНМК (Таблица).

Показатели АД при офисном измерении составляли более 180 мм рт. ст. на фоне постоянного приема 3 и более препаратов (один из них диуретик).

Клинико-демографическая характеристика пациентов

–  –  –

Процедура РДН почечной артерии проводилась в условиях рентгеноперационной, феморальным доступом, при помощи системы для денервации почечных артерий Symplicity (Medtronic, США), которая состоит из генератора радиочастотных волн и одноразового катетера. В I -й группе (n=44) ренальную денервацию выполняли с помощью одноэлектродного катетера Symplicity Flex, а во II-й группе (n=14) с помощью многоэлектродного катетера Symplicity Spyral. Пациентам проводили суточное мониторирование АД, ультразвуковое исследование сердца и артерий почек.

Исследования выполнялись по общепринятым методикам с использованием высокоинформативных аппаратов экспертного класса.

В обеих группах РДН почечной артерии проводилась радиочастотными волнами с мощностью 5-8 Вт с постоянно контролируемой температурой и импедансом на кончике катетера. В I-й группе длительность каждой аппликации составляла 2 мин, критериями эффективности были достижение оптимальных показателей температуры и импеданса, автоматически регистрируемых с кончика катетера. В случае автоматического прерывания радиочастотного воздействия по причине плохого контакта зонда-электрода со стенкой артерии аппликация проводилась повторно. Во II-й группе     ISSN 2224-5308 Серия биологическая и медицинская. № 6. 2016 длительность каждой аппликации составляла 1 мин, критериями эффективности так же были достижение оптимальных показателей температуры и импеданса, автоматически регистрируемых с кончика катетера. Во II-й группе имелось возможность отключать один, два или три электрода из четырех по мере необходимости.

Сразу после процедуры в обеих группах катетеры и интродьюсер удаляли и выполняли гемостаз мануальным способом в течение 15–20 мин, после чего накладывали давящую асептическую повязку.

Во время процедуры использовались неионные рентгеноконтрастные препараты (визипак 320, GE Healthcare Ireland, Ирландия, и ультравист, Schering AG, Германия), разбавленные физиологическим раствором в соотношении 1:1. У всех пациентов определяли концентрацию креатинина в крови, а также клиренс креатинина на 2-й день после процедуры и перед выпиской. Через 6 мес.

после процедуры проводили мониторинг показателей офисного измерения АД, суточного мониторирования АД – СМАД, степень дневного и ночного снижения систолического и диастолического АД (САД и ДАД), вариабельность дневного и ночного АД), оценивали СКФ (скорость клубочковой фильтрации) по формуле по CKD-EPI, уровень альдостерона плазмы крови.

Премедикация и ведение больного после процедуры. Перед переводом в рентгеноперационную выполняли премедикацию брузепам 10 мг и фентанил 0,005% 4,0. Непосредственно в операционной перед первой аппликацией с целью обезболивания вводили морфин 1% 1,0 или фентанил 0,1 мг внутривенно струйно медленно. В случае необходимости во время процедуры дополнительно вводили диазепам 5–10 мг.

Статистическая обработка данных проводилась с помощью программного обеспечения STATISTICA 6.0 методами параметрической статистики, при сравнительном анализе использовали t-критерий Стьюдента, также проводился корреляционный и частотный анализ. В уcлoвияx нeпoдчинeния дaнныx зaкoну нoрмaльнoгo рacпрeдeлeния cрaвнeниe двуx рaзныx групп пo кoличecтвeнным признaкaм прoвoдилocь пo U-критeрию Мaннa-Уитни. Различия считались значимыми при р = 0,05.

Результаты. Средняя продолжительность процедуры РДН почечной артерии у I-группы составила 63,3±27,01 мин., а во II-группе 36,4±15,63 мин. средний объем использованного контрастного вещества – 150±23 мл. В I-й группе выполняли 9±2 радиочастотных воздействий на каждой почечной артерии, а во II-й группе выполняли 8±3 радиочастотных воздействий на каждой почечной артерии. У 5 больных в I-группе и у 2-х больных во II-й группе дополнительно вводились наркотические анальгетики в связи с выраженным болевым синдромом в поясничной области во время операции. Осложнений со стороны почек и на местах пункции не наблюдалось.

В I-группе диаметр сосуда при проведении РДН почечной артерии составлял 4 мм. и выше, когда как во II-й группе во всех случаях без исключения диаметр сосуда составлял до 3 мм, что позволяло проводить абляцию в дистальном конце сосуда, где сконцентрированы наибольшее количество нервных волокон.

По данным офисного измерения исходно среднее значение САД и ДАД в I-группе составили 185/115 ± 16/11 мм рт. ст. и во II-группе 194/115 ± 14/5 мм рт. ст. После применения РДН почечной артерии (через 6 мес. наблюдения) отмечалось снижение показателей САД/ДАД при офисном измерении на 39/28 мм рт. ст. (p 0,01) в I-группе и на 58/46 мм рт. ст. во II-группе соответственно (рисунок). В процентном соотношении в I-группе снижение САД/ДАД составили 21%/24% и во II-группе 30%/39% соответственно.

По данным СМАД выявлено снижение на 49/30 мм рт. ст. в I-группе и на 55/34 мм рт. ст. во II-группе соответственно (различия недостоверны). Через 6 мес. наблюдения частота превышения целевых уровней САД и ДАД в ночные часы составляла 30 и 28% соответственно (p 0,05). У 7 больных в I-группе и у 4 больных во II-группе через 6 мес субъективно отмечалось улучшение качества жизни в виде снижения интенсивности и уменьшения количества эпизодов головной боли и головокружения, а также улучшение сна. Средние показатели креатинина исходно и через 6 мес оставались в пределах нормы без значимых изменении в обеих группах – 85,3 и 87,5 ± 15/15 мкмоль/л соответственно (различия недостоверны). Средние показатели СКФ (по CKD-EPI) также достоверно не изменились – 77 и 80 ± 21/16 мл/мин/1,73 м 2 исходно и через 6 мес соответственно. Уровни ренина и альдостерона плазмы крови по сравнению с исходными показателями также не изменились.

  Известия Национальной академии наук Республики Казахстан

–  –  –

Обсуждение. С момента опубликования первых результатов по эффективности и безопасности исследований SimplicityHTN-1 и -2 радиочастотная абляция почечных симпатических нервов (ренальная денервация) стала считаться одним из самых перспективных направлений в области лечения артериальной гипертензии, прежде всего резистентной к терапии. Последующие результаты Simplicity HTN-1 и 2 и многочисленных исследований во всем мире не оставляли сомнений в ее эффективности. Появлялись все новые и новые данные пилотных исследований об эффективности процедуры при других заболеваниях – хронической сердечной недостаточности, сахарном диабете, фибрилляции предсердий, синдроме обструктивного апноэ во сне.

Однако отрицательные результаты слепого, рандомизированного, контролируемого клинического исследования для оценки безопасности и эффективности ренальной денервации Simplicity HTN-3 в США были достаточно неожиданными и разочаровывающими, хотя и подтвердили безопасность процедуры (Zvartu et al., 2014).

Исследователи большинства центров Европейского общества по артериальной гипертензии, имеющие опыт проведения данной процедуры, едины в одном – результаты одного исследования не перевешивают накопленный огромный массив данных, свидетельствующих об эффективности процедуры, а лишь указывают на необходимость дальнейшего анализа и более взвешенного подхода.

По данным проведенного нами исследования, процедура РДН является эффективным немедикаментозным методом лечения больных РАГ. А применение мультиэлектродного катетера Symplicity Spyral позволил достичь наибольшего гипотензивного эффекта по сравнению с результатами Symplicity Flex.

По данным офисного измерения исходно среднее значение САД и ДАД в I-группе составили 185/115 ± 16/11 мм рт. ст. и во II -группе 194/115 ± 14/5 мм рт. ст. После применения РДН почечной артерии (через 6 мес. наблюдения) отмечалось снижение показателей САД/ДАД при офисном измерении на 39/28 мм рт. ст. (p 0,01) в I-группе и на 58/46 мм рт. ст. во II -группе соответственно. Наилучшие результаты во II - й группе мы связываем с возможностью применения катетера Symplicity Spyral в артериях почки диаметром до 3 мм., что позволяла проводить абляцию в сконцентрированном наибольшего количество нервных волокон дистальном конце сосуда.

Полученные результаты соответствуют данным исследования Symplicity HTN-2, в котором через 30 мес. наблюдения у 37 больных отмечалось снижение САД и ДАД на 35 и 13 мм рт. ст.

    ISSN 2224-5308 Серия биологическая и медицинская. № 6. 2016 соответственно (Esler et al., 2013). Для более строгого следования разработанному алгоритму отбора больных для проведения РДН в настоящее время необходим мультидисциплинарный подход с участием эндокринолога, нефролога, невролога, кардиолога (Esler et al., 2010, Verloop et al., 2013).

Применение в клинической практике мультиэлектродного катетера способствует уменьшению времени воздействия до 1 мин на каждую абляцию и позволяет значительно сократить общую продолжительность вмешательства. В нашем исследовании операционное время уменьшился в два раза, где средняя продолжительность процедуры РДН почечной артерии у I-группы составила 63,3±27,01 мин., а у II-группы 36,4±15,63 мин.

Несмотря на оптимистичные результаты, получаемые в проводимых исследованиях, существует группа больных, у которых достичь целевых уровней АД не удается. Так, по данным исследования Symplicity HTN-1, доля таких больных составила 7%, по данным исследования Symplicity HTN-2 – 10%, по данным Гейдельбергского регистра – 24% (Blessing et al., 2013). При этом эффективность проведенной процедуры определялась как снижение САД 10 мм рт. ст. через 6 мес.

после РДН. В нашей работе эффективность процедуры отмечена во всех случаях.

Заключение. РДН почечных артерий является безопасным и эффективным методом лечения у больных РАГ. Применение в клинической практике мультиэлектродного катетера Symplicity Spyral способствует улучшить эффективность и значительно сократить общую продолжительность вмешательства.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Bruno R.M. Sympathetic regulation of vascular function in health and disease // Front Physiol. – 2012. – N 61(2). – P. 284.

[2] Calhoun D.A., Jones D., Textor S. et al. Resistant hypertension: diagnosis, evaluation and treatment: a scientific statement from the American Heart Association Professional Education Committee for the Council for High Blood Pressure Research.

Circulation. – 2008. – N 117. – P. 510-526.

[3] Cicala, S. et al. Are coronary revascularization and myocardial infarction a homogeneous combined endpoint in hypertension trials? The Losartan Intervention For Endpoint reduction in hypertension study // Journal of Hypertension. – 2010. N 28.

– P. 1134-1140.

[4] Dias L.D. et al. Renal denervation in an animal model of diabetes and hypertension: Impact on the autonomic nervous system and nephropathy // Cardiovasc Diabetol. – 2011. – N 10. – P. 33.

[5] Egan B.M. et al. US trends in prevalence, awareness, treatment, and control of hypertension, 1988-2008 // JAMA. – 2011. – N 20. – P. 2043-2050.

[6] Erdine S., Arslan E., Coca A. Resistant Hypertension. European Society Hypertension. Scientific Newsleter // Updated on Hypertension management. – 2011. – N 12. – P. 8.

[7] Flaa A., Eide I.K., Kjeldsen S.E. et al. Sympathoadrenal stress reactivity is a predictor of future blood pressure: an 18year followup study // Hypertension. – 2010. N 52. – P. 336-341.

[8] Judd E., Calhone D.A. Apparent and true resistant hypertension: definition, prevalence and outcomes // J Hum Hyperten. – 2014. N 28(8). – P. 463-8.

[9] Kovalenko V.N. The use of radiofrequency ablation for renal denervation in patients with resistant hypertension in Ukraine with the international recommendations and certified hardware // Hypertension. – 2012. N 4. – P. 104.

[10] Musayev A.A., Aripov M.A., Alimbaev S.A. et al. Safety procedures denervation of the renal artery // Cardio-vascular system. – 2015. N 3/1. – P. 95.

[11] Schlaich M.P., Sobotka P.A., Krum H. et al.Renal sympatheticnerve ablation for uncontrolled hypertension // N Engl J Med. – 2009. – P. 361:932–4.

[12] Stanbul B., Ramazan K., Usmanov B.M. et al. Endovascular radiofrequency denervation of the renal arteries in patients with hypertension and related heart disease // Clinical medicine of Kazakhstan. – 2014. N 31. – P. 99.

[13] Zhunuspekova. Organization of hypertension schools in Semey city [electronic resource].

http://journal.ssmu.kz/index.php?statja=1185&lang=ru/5_3.php//

REFERENCES

[1] Bruno R.M. Sympathetic regulation of vascular function in health and disease // Front Physiol. 2012. N 61(2). P. 284.

[2] Calhoun D.A., Jones D., Textor S. et al. Resistant hypertension: diagnosis, evaluation and treatment: a scientific statement from the American Heart Association Professional Education Committee for the Council for High Blood Pressure Research.

Circulation. 2008. N 117. P. 510-526.

[3] Cicala S. et al. Are coronary revascularization and myocardial infarction a homogeneous combined endpoint in hypertension trials? The Losartan Intervention For Endpoint reduction in hypertension study // Journal of Hypertension. 2010. N 28.

P. 1134-1140.

[4] Dias L.D. et al. Renal denervation in an animal model of diabetes and hypertension: Impact on the autonomic nervous system and nephropathy // Cardiovasc Diabetol. 2011. N 10. P. 33.

  Известия Национальной академии наук Республики Казахстан [5] Egan B.M. et al. US trends in prevalence, awareness, treatment, and control of hypertension, 1988-2008 // JAMA. 2011.

N 20. P. 2043-2050.

[6] Erdine S., Arslan E., Coca A. Resistant Hypertension. European Society Hypertension. Scientific Newsleter // Updated on Hypertension management. 2011. N 12. P. 8.

[7] Flaa A., Eide I.K., Kjeldsen S.E. et al. Sympathoadrenal stress reactivity is a predictor of future blood pressure: an 18-year followup study // Hypertension. 2010. N 52. P. 336-341.

[8] Judd E., Calhone D.A. Apparent and true resistant hypertension: definition, prevalence and outcomes // J Hum Hyperten. 2014. N 28(8). P. 463-8.

[9] Kovalenko V.N. The use of radiofrequency ablation for renal denervation in patients with resistant hypertension in Ukraine with the international recommendations and certified hardware // Hypertension. 2012. N 4. P. 104.

[10] Musayev A.A., Aripov, M.A., Alimbayev, S.A. i dr. Protsedury bezopasnosti denervatsiya pochechnoy arterii // Serdechno-sosudistaya sistema. 2015. N 3/1. P. 95.

[11] Schlaich M.P., Sobotka P.A., Krum H. et al.Renal sympatheticnerve ablation for uncontrolled hypertension // N Engl J Med. 2009. P. 361:932–4.

[12] Stambule B., Ramazan K., Usmanov B.M. i dr., Endovaskulyarnaya radiochastotnaya denervatsiya pochechnykh arteriy u patsiyentov s gipertoniyey i svyazannoy s bolezn'yu serdtsa // Klinicheskaya meditsina Kazakhstana. 2014. 31. 99.

[13] Zhunuspekova A.S. (2014). Organizatsiya gipertonii shkol v g. Semey [Elektronnyy resurs].

http://journal.ssmu.kz/index.php?statja=1185&lang=ru/5_3.php//

–  –  –

. А. Ясауи атындаы халыаралы аза-трік университеті, Шымкент, азастан

АЗАСТАНДА БІРЭЛЕКТРОДТЫ SYMPLICITY FLEX КАТЕТЕР МЕН

МУЛЬТИЭЛЕКТРОДТЫ SYMPLICITY SPYRAL КАТЕТЕРДІ ОЛДАНУ ТЖІРИБЕСІ

Тйін сздер: резистентті артериалды гипертензия, бйрек артериясыны радиожиілікті денервациясы, мультиэлектродты катетер.

Сведения об авторе:

Баймагамбетов А.К. – доктор медицинских наук, заведующий кафедры травматологии, ортопедии и онкологии.

 

–  –  –

NEWS

OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN

SERIES OF BIOLOGICAL AND MEDICAL

ISSN 2224-5308 Volume 6, Number 318 (2016), 37 – 47

–  –  –

CLONING, MUTAGENESIS AND EXPRESSION OF cDNA-GENE

THAT ENCODES -SUBUNIT OF TRANSLATION INITIATION

FACTOR 2 FROM ARABIDOPSIS THALIANA AND ISOLATION

OF RECOMBINANT PROTEINS AteIF2(S56), AteIF2(S56D) and AteIF2(S56А) Abstract. The eukaryotic initiation factor 2 (eIF2) in complex with GTP, delivers onto 40S ribosomal subunit of initiator Met-tRNAi, with which synthesis of almost all proteins begins. This factor is strictly required for selection of correct start codon and for translation initiation of vast majority of eukaryotic mRNAs. In yeast and mammalian cells, phosphorylation of eIF2 at -subunit brakes translation initiation under various stresses. In plants, the role of phosphorylation of homologous factor (peIF2) in regulation of protein biosynthesis remains unclear.

In the present work cDNA-gene of eIF2 -subunit of Arabidopsis thaliana (AteIF2(S56)) was amplified and cloned. Using site-directed in vitro-mutagenesis two variants of this cDNA were obtained: AteIF2(S56D) and AteIF2(S56A). The AteIF2(S56D) variant encodes AteIF2 with aspartic acid substituting for serine-56, thus imitating the constitutively phosphorylated state of this subunit. Variant AteIF2(S56A), with substitution of alanine codon instead of serine-56, encodes unphosphorylatable AteIF2-subunit. The intact and both mutated variants of AteIF2 were cloned in vector pET19b and expressed in Escherichia coli cells. At N-termini of recombinant proteins the sequence of 10 histidines (10His-tag) was inserted that is necessary for their isolation. Proteins AteIF2(S56), AteIF2(S56D) and AteIF2(S56А) were isolated by affinity chromatography, dialyzed and concentrated: all of them had correct size of approximately 40 kDa. The AteIF2(S56) could be phosphorylated by special mPKR kinase in the presence of double-stranded RNA, indicating this subunit is fully functional. These recombinant subunits are necessary for exploration of the role of peIF2 phosphorylation in regulation of protein synthesis in plants.

Keywords: translation initiation factor 2 of plants (peIF2), recombinant -subunit, cloning, mutagenesis, expression, phosphorylation.

УДК 57.052.6 : 577.217 : 577.218

–  –  –

КЛОНИРОВАНИЕ, МУТАГЕНЕЗ И ЭКСПРЕССИЯ кДНК-ГЕНА

-СУБЪЕДИНИЦЫ ФАКТОРА ИНИЦИАЦИИ ТРАНСЛЯЦИИ 2

ARABIDOPSIS THALIANA И ВЫДЕЛЕНИЕ РЕКОМБИНАНТНЫХ

БЕЛКОВ AteIF2(S56), AteIF2(S56D) и AteIF2(S56А) Аннотация. Эукариотический фактор инициации трансляции 2 (eIF2) в комплексе с GTP доставляет на 40S рибосомную субчастицу инициаторную Met-tRNAi, с которой начинается синтез практически всех белков. Этот фактор строго необходим для выбора корректного стартового кодона и для инициации трансляции   Известия Национальной академии наук Республики Казахстан подавляющего большинства эукариотических мРНК. В клетках животных и дрожжей фосфорилирование

-субъединицы eIF2 тормозит инициацию трансляции при различных стрессах. У растений роль фосфорилирования гомологичного фактора (peIF2) в регуляции биосинтеза белка остается невыясненной.

В настоящей работе амплифицирован и клонирован кДНК-ген -субъединицы фактора eIF2 из Arabidopsis thaliana (AteIF2(S56)). С помощью сайт-направленного in vitro-мутагенеза получены два варианта этой кДНК: AteIF2(S56D) и AteIF2(S56A). Вариант AteIF2(S56D) кодирует субъединицу AteIF2 с заменой остатка серина в положении 56 на аспарагиновую кислоту, что имитирует ее конститутивно фосфорилированное состояние. Вариант AteIF2(S56A) с заменой кодона серина-56 на триплет аланина кодирует нефосфорилируемую форму AteIF2. Нативный и оба мутированных варианта кДНК-гена AteIF2 клонированы в векторе pET19b и экспрессированы в клетках Escherichia coli. На N-конце рекомбинантные белки содержали последовательность 10 гистидинов (10His-tag), необходимую для их выделения. Белки AteIF2(S56), AteIF2(S56D) и AteIF2(S56А) выделяли методом аффинной хроматографии, диализовали и концентрировали: все они имели корректные размеры около 40 кДа. Субъединица AteIF2(S56) способна фосфорилироваться специфической киназой mPKR в присутствии двуспиральной РНК, что указывает на ее функциональную полноценность. Эти рекомбинантные субъединицы необходимы для исследования роли фосфорилирования peIF2 в регуляции синтеза белков у растений.

Ключевые слова: фактор инициации трансляции 2 растений (peIF2), рекомбинантные -субъединицы, клонирование, мутагенез, экспрессия, фосфорилирование.

Введение. Фактор eIF2 – белок, присутствующий во всех типах эукариотических клеток, состоит из трех неидентичных полипептидов, обозначаемых, и, из которых -субъединица выполняет регуляторную функцию. Этот фактор образует с молекулой GTP и инициаторной метионил-тРНК (Met-tRNAi) тройной комплекс {GTP*eIF2*Met-tRNAi}, который связывается с 40S рибосомной субчастицей (40S-РС), образуя 43S пре-инициаторный комплекс (43S-ПИК). При взаимодействии этого комплекса с мРНК образуется 48S-ПИК, в составе которого 43S-ПИК сканирует мРНК (в направлении 5'3') в поисках стартового AUG-кодона, в узнавании которого принимают участие антикодон Met-tRNAi, факторы eIF1, eIF1A и eIF5. По достижении стартового кодона фактор eIF5 активирует GTP-азную активность фактора eIF2, который гидролизует молекулу GTР тройного комплекса до GDР, что приводит к высвобождению из 48S-ПИК большинства инициаторных факторов, присоединению 60S-РС и переходу к элонгации полипептидной цепи [1, 2].

После каждого цикла инициации фактор eIF2 высвобождается из 48S-ПИК в виде прочного бинарного комплекса {eIF2*GDP}. Для того чтобы eIF2 мог участвовать в следующем цикле, молекула GDP должна быть заменена на GTP.

В клетках млекопитающих такой обмен не может протекать самостоятельно, так как сродство фактора meIF2 к GDP на два порядка выше, чем к GTP. Обмен гуаниловых нуклеотидов может происходить только при помощи вспомогательного фактора meIF2B. Фактор meIF2B образует комплекс с {meIF2*GDP}, после чего GDP легко диссоциирует. Фосфорилирование -субъединицы meIF2 ингибирует обмен GDPGTP, катализируемый фактором meIF2B. Фактор eIF2B не может стимулировать обмен GDPGTP на meIF2(P), что приводит к прекращению образования новых тройных комплексов {GTP*meIF2*Met-tRNAi}, к резкому торможению инициации трансляции и остановке синтеза белка в клетках млекопитающих [3, 4]. Аналогичный механизм был найден у дрожжей [1, 4] и считалось, что он функционирует также и в клетках растений.

Однако, согласно нашим данным, молекулярный механизм регуляции активности гомологичного фактора у растений (peIF2) существенно отличается от такового в клетках млекопитающих [5]. В частности, нами было установлено, что сродство peIF2 пшеницы к GDP лишь в 10 раз выше, чем к GTP, тогда как для meIF2 данное превышение составляет два порядка. Вследствие этого, для цикличного функционирования peIF2 растений не требуется фактор eIF2B, который строго необходим у млекопитающих. Из этих данных также следует, что при достаточно высоком соотношении концентраций [GTP]/[GDP] в клетках растений обмен GDPGTP может происходить независимо от того, фосфорилирован ли peIF2 или нет [5].

Наши результаты подтверждены другими группами исследователей [6 – 9]. У растений до сих пор не обнаружена ни биохимическая активность, ни гены peIF2B-подобного фактора [8]. Кроме того, из четырех протеинкиназ (PKR, HCR, PERK, GCN2), фосфорилирующих -субъединицу фактора meIF2 в клетках млекопитающих, у растений обнаружены активность и ген только одной pGCN2-киназы. Мутанты с поврежденным геном gcn2 вполне жизнеспособны, хотя и проявляли     ISSN 2224-5308 Серия биологическая и медицинская. № 6. 2016 повышенную чувствительность к некоторым стрессам и гербицидам, нарушающим синтез аминокислот и пуринов [9 - 11].

Экспериментальные данные свидетельствуют, что механизм ингибирования синтеза белка посредством фосфорилирования -субъединицы фактора peIF2 не используется у растений, находящихся в нормальных, но физиологически различных состояниях (например, днем или ночью) [13]. Фосфорилирование peIF2 не является универсальным ответом растений на все виды стрессовых воздействий. Так при солевом (250 мM NaCl) и окислительном (1 мM H2O2) стрессах [11], а также при вирусных инфекциях [10] и тепловом шоке (42° С, 2 ч) [9, 14] фосфорилирования peIF2 не наблюдалось.

Вместе с тем имеются данные, что этот механизм регуляции может работать у растений при дефиците аминокислот и пуринов, хотя и не так выраженно, как у животных [8, 10, 11]. Киназа pGCN2 может тормозить синтез белка у растений посредством фосфорилирования peIF2 (как у других эукариот) в ответ на определенные, но не все стрессовые воздействия [8 - 11]. Детали этого регуляторного механизма еще не ясны, особенно учитывая отсутствие у растений peIF2B-подобного фактора. Требуются дополнительные экспериментальные исследования для их полного понимания.

С этой целью в данной работе нами получены рекомбинантные -субъединицы фактора eIF2 из Arabidopsis thaliana в нативном варианте (AteIF2(S56)), а также с заменой серина-56 на аспарагиновую кислоту (AteIF2(S56D)) либо на аланин (AteIF2(S56A)). Вариант AteIF2(S56D) имитирует конститутивно фосфорилированное состояние -субъединицы, тогда как AteIF2(S56A) не способна фосфорилироваться. Эти рекомбинантные субъединицы необходимы для исследования роли фосфорилирования peIF2 в регуляции синтеза белков у растений.

Материалы и методы исследования

В работе использовались реагенты фирм «Sigma», «Serva», «Merck», «Fermentas», «Roche», «Promega», «Bio-Rad» и «BioLabs» и олигодезоксирибонуклеотиды (олигоДНК или праймеры), приведенные в таблице 1.

Таблица 1 – Последовательность праймеров, использованных в данной работе Table 1 – Sequence of praims праймеров used in hired

–  –  –

Компьютерный анализ. Анализ нуклеотидных последовательностей ДНК перед встраиванием их в плазмидные вектора, а также подбор праймеров для клонирования и мутагенеза проводили с использованием компьютерных программ GenRuner 3.00, Vector NTI 8.0, RNA-structure 3.5 и Blast (http://www.blast.genome.jp). Нуклеотидная последовательность гена AteIF2 была взята из базы данных NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.gov). Денситометрический анализ проводили с использованием компьютерной программы ImageJ v.1.42q.

Выделение РНК. Препарат тотальной РНК выделяли из листьев A. thaliana с использованием набора PARISTM («Ambion») по методике производителя.

Обратная транскрипция. Реакцию обратной транскрипции (РОТ) поводили с использованием набора QuantiTect® Reverse Transcription Kit («Qiagen») по методике производителя. В качестве матрицы использовались препарат мРНК, выделенный из A. thaliana, а в качестве обратного праймера – «eIF2-BamHI-Rev».

  Известия Национальной академии наук Республики Казахстан Амплификация кДНК AteIF2. После РОТ проводили ПЦР с использованием праймеров «eIF2-NdeI-FW» и «eIF2-BamHI-Rev» и высокоточной полимеразы Pwo («Roche») по методике производителя в следующем режиме: стадия 1 - 5 мин. при 94С - 1 цикл; стадия 2 - 30 сек. при 94С, 30 сек. при 54С, 1 мин. 30 сек. при 72С – 30 циклов; стадия 3 - 5 мин. при 72С – 1 цикл.

Продукты ПЦР анализировали в 1,5 % агарозном геле.

Сайт направленный мутагенез. Клонированный кДНК-ген AteIF2 мутировали методом ПЦР с использованием перекрывающихся праймеров «eIF2-NdeI-FW», «eIF2-BamHI-Rev», «eIF2D-FW» и «eIF2-А-FW» в тех же условиях и в том же режиме, как при амплификации кДНК AteIF2. Лигирование продуктов РОТ-ПЦР и сайт направленного мутагенеза проводили после их элюции из агарозного геля с использованием набора «DNA Gel extraction Kit» («Fermentas»).

Очищенные фрагменты ДНК были обработаны рестриктазами NdeI и BamHI и лигированы в векторе pET19b по тем же сайтам рестрикции с использованием Т4 ДНК-лигазы («Fermentas») по методике производителя. Общие методы молекулярной генетики и инженерии (трансформация клеток E. coli, выделение плазмидной ДНК, лигирование ДНК и др.) проводили согласно [15].

Секвенирование ДНК. Корректность всех конструкций проверялась их секвенированием с использованием набора «Big Dye® Terminator v.3.1» («Applied Biosystems») по методике производителя. Электрофорез проводили в капиллярах на генетическом анализаторе 310 «Applied Biosystems», а анализ полученных данных осуществляли с использованием программы «Sequencing Analysis 5.2».

Экспрессия рекомбинантных белков. Плазмидами AteIF2(S56)-pET19b, AteIF2(S56D)pET19b и AteIF2(S56A)-pET19b были трансформированы клетки экспрессионных штаммов E. coli BL21 и LysStar по стандартной методике. Клетки растили в 200 мл жидкой среды LB при 30 С до оптической плотности OD600=0,5, осаждали при 4000 g в течение 3 мин, ресуспендировали в 200 мл свежей среды LB, содержащей IPTG до конечной концентрации 1 мМ, и культивировали при 30 С в течение 4 часов.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
Похожие работы:

«ISSN 2224-5308 АЗАСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ ЛТТЫ ЫЛЫМ АКАДЕМИЯСЫНЫ ХАБАРЛАРЫ ИЗВЕСТИЯ NEWS НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN БИОЛОГИЯ ЖНЕ МЕДИЦИНА СЕРИЯСЫ СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ И МЕДИЦИНСКАЯ SERIES OF BIOLOGICAL AND MEDICAL 1 (301) АНТАР – АПАН 2014 ж. ЯНВАРЬ – ФЕВР...»

«Ковалева Вера Дмитриевна ИССЛЕДОВАНИЕ РОЛИ NO-ЗАВИСИМЫХ СИГНАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В УСТОЙЧИВОСТИ НЕЙРОНОВ И ГЛИАЛЬНЫХ КЛЕТОК К ФОТОДИНАМИЧЕСКОМУ ПОВРЕЖДЕНИЮ Специальность – 03.01.02 Биофизика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Воронеж – 2016 Работа выполнена в Академии био...»

«Негинская Мария Александровна МЕХАНИЗМЫ КАЛЬЦИЕВОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ НЕЙРОНОВ И АСТРОЦИТОВ ПРИ ФОТОДИНАМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ РАДАХЛОРИНА Специальность – 03.01.02 Биофизика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Воронеж – 2017 Работа выполн...»








 
2017 www.pdf.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - разные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.